서 론
어군 모니터링 기술은 수중음향 또는 영상촬영장비로 어류의 군집 현상을 탐지하여, 현존량과 행동 특성을 파악하기 위한 목적으로 사용된다(Lee, 2013). 어선업에서 는 어획을 목적으로 어군 탐색과 어군량을 파악하는데 사용된다(Kang, 2023). 현재 어군 모니터링 기술은 정보 통신기술의 발달로 인해 원격지에서 어종과 어군량 정보 를 확인할 수 있는 수준까지 도달해 있으며, 특히 정치망 어업의 효율성 향상과 조업경비의 절감을 위한 기술개발에 적용되고 있다(Wada et al., 2014;Saville et al., 2015).
정치망 어업은 지역에 따라 조금씩 차이는 있지만, 물때에 따라 어구가 설치된 해역까지 하루 최대 2회 출 항하여, 길그물을 따라 유도된 어류를 양망하는 방식이 다(NFRDI, 2008). 이러한 어업방식은 어획량이 없거나, 적은 경우에도 매번 출항해야 하는 번거로움과 유류비와 인건비 등의 조업경비 지출을 증가시킨다. 특히, 어선의 유류 사용량과 함께 온실가스 배출량이 증가하여 기후변화의 주요 원인이 된다(Jeon and Sim, 2023).
이와 같은 문제를 해결할 수 있는 것이 원격지에서 정치망 어군을 모니터링하는 기술이다. 원격 어군 모니 터링 기술은 출어 전에 육상에서 정치망 어장의 어획량을 사전에 확인함으로써 불필요한 어업활동을 줄이는 동시에 경제적 손실과 환경오염을 최소화할 수 있다.
최근 효율적인 어업활동을 위해 수중영상 또는 수중 음향을 기반으로 하는 원격 어군 모니터링 기술에 관한 다양한 연구와 활용 범위는 확대되고 있는 추세이다 (Furuta et al., 2022). 특히 일본의 정치망 어업은 연안어업의 전체 어획량 중 3분의 1을 차지할 정도로 어업 세 력이 커서 원격 어군 모니터링 기술개발에 관심이 높다 (MAFF, 2020;Akiyama, 2006). 선행연구에서는 수중음 향센서에서 수집된 음향신호를 이미지 처리하여, 추출 된 어군을 3G 통신망을 통해 웹서버로 전송하여, 스마트폰, 태블릿 또는 PC에서 정치망 어군을 모니터링을 할 수 있는 연구가 수행되었다(Tong et al., 2014).
국내에서도 다양한 분야에서 원격 어군 모니터링 기술의 연구개발이 수행되고 있다. 수산자원 분야에서는 인공 어초 주변의 수산자원을 모니터링하기 위해서 LTE 통신 기반의 부표형 어군 탐지기를 개발하였다 (Kang et al., 2022;Heo et al., 2022). 하지만, LTE 통신 방식은 데이터 전송속도가 빨라 대용량 데이터 전송이 가능하지만, 상대적으로 통신비용 증가로 인해 어업현 장 적용에 어려움이 따른다. 양식 분야에서는 양식생물의 안정적인 생산관리와 작업 효율성 향상을 위해 영상 데이터로 어류의 개체 수와 길이를 측정하는 기술개발에 관한 다양한 연구가 수행되었다(Ubina et al., 2022). 이와 유사한 사례로 스테레오 카메라, 수중음향센서와 인공지능기술을 이용하여, 어류의 조도가 낮은 수중 환 경에도 어류의 길이와 무게를 추정한 연구도 있다(Ochi and Yamasaki, 2018;Chang et al., 2022).
선행연구사례와 같이 정보통신, 수중음향과 영상처리 등 다양한 기술들을 융합하여, 원격 어군 모니터링에 관 한 기술개발을 하고 있지만, 현장 적용성과 실용성을 높 이기 위해서는 사용 목적과 용도에 적합하게 설계하는 것이 중요하다(Shin et al., 1994). 특히, 육상 또는 해상과 같은 설치 및 운영 장소에 적합한 통신거리와 속도, 그리고 운영시간과 사용자의 편의성 등이 고려되어야 한다.
본 연구에서는 효율적인 어업활동과 조업경비 절감을 위해 WCDMA 기반의 저전력 정치망 어군 정보전송 모듈을 개발하였다. 개발한 모듈의 성능은 정치망 어업 현장과 해상실험을 통해 측정된 소비전력, WCDMA의 신호 영역(커버리지 면적)과 어군의 정보 송수신율을 분석하여 평가하였다.
재료 및 방법
모듈 설계 및 시스템 구성
우리나라의 대표적인 이동통신은 WCDMA (Wideband Code Division Multiple Access), LTE (Long Term Evolution)와 5G가 있다. 각각의 이동통신 신호 영역은 통신사와 단말기, 주파수와 네트워크 상황 등 통신환경에 따라 차이는 있지만, 이용자가 많은 주거 밀집 지역인 도심지 중심으로 형성되어 있다.
이동통신 요금은 WCDMA가 가장 싸고, LTE와 5G 순으로 비싸다. WCDMA와 LTE 간의 신호 영역은 큰 차이가 없고 5G 이동통신보다는 넓다. 하지만, 최근 5G 이동통신 또한 기지국 추가설치로 신호 영역은 확대되고 있다. 이처럼 주거 밀집 지역을 중심으로 이동통신의 신호 영역이 형성되어 있기 때문에 해상에서 이동통신 을 사용하는 것은 한계가 있다. 이를 극복하기 위해서는 해상 인근에 기지국과 중계기 추가설치로 원거리 해상까지 서비스를 제공할 수 있지만, 건설장소 부재와 위치 선정에 많은 어려움이 있다(Kim and Park, 2001;Kim et al., 2013). 그 외의 대안은 원거리로 데이터를 송수신 할 수 있는 위성통신을 이용하는 것이지만, WCDMA, LTE와 같은 이동통신보다 유지관리가 어렵고 통신 요 금 또한 경제적이지 못하다.
이와 같이 해상에서 이동통신을 사용할 때, 신호 영역의 제약은 따르지만 본 연구에서는 우리나라에서 상대적으로 통신 요금이 저렴하고 신호 영역이 넓으며 운용상 안정성이 뛰어난 이동통신인 WCDMA를 선정하여, 저전력 정치망 어군 정보전송 모듈 개발에 적용하였다.
Fig. 1은 시작품 수준에서 개발된 WCDMA 통신방식을 적용한 저전력 정치망 어군 정보전송 모듈이다. 개발 한 모듈은 사용하는 전력량을 최대한 줄여 장시간 운용 하기 위해 데이터 전송 시간을 제외하고는 Sleep Mode 제어로 전환되도록 설계하였다. 그리고 모듈은 데이터 수집과 저장, 데이터의 압축전송, 작동 상태 확인과 환경 설정 기능이 있으며, 세부 사양은 Table 1과 같다.
개발한 저전력 정치망 어군 정보전송 모듈의 성능실험 장소는 남해 상주면 양아리 소재의 정치망이며, 개발 한 모듈은 Fig. 2와 같이 부이(Buoy) 형태로 제작한 정치 망 어군 원격모니터링 시스템에 설치하여 성능실험을 하였다. 정치망 어군 원격모니터링 시스템은 어군 탐지 센서, 개발한 모듈과 전원공급용 태양광 발전시스템으로 구성하였다.
어군 탐지 센서는 CruzPro사의 PCFF80 모델을 사용 하였으며, 세부 사양은 Table 2와 같다. 어군 탐지기의 주파수는 50, 200 kHz을 사용할 수 있으므로 개발한 모듈에서도 사용 주파수를 선택할 수 있도록 설계하였다.
네트워크 구성 및 소프트웨어 설계
네트워크는 Fig. 3과 같이 인터넷 사용이 가능한 환경 에서 사용자가 PC와 휴대용 모바일 기기를 통해 확인할 수 있도록 클라이언트/서버(Client/Server) 아키텍처로 설계하였다.
Fig. 4는 정치망 어군 원격모니터링을 위한 데이터 처리 과정을 나타낸 것이다. 저전력 정치망 어군 정보전송 모듈의 펌웨어는 데이터 전송 속도를 높이기 위해 어군 탐지기의 ASCII 형식인 출력 음향 데이터를 8bit로 이진화하여, 저용량 데이터로 전송할 수 있도록 설계하였다. 그리고 서버로 전송된 음향 데이터는 사용자가 어군의 분포를 가시적으로 확인할 수 있도록 16컬러로 매핑한 데이터를 이미지로 변환하여 표출하는 웹서버용 소프트웨어를 개발하였다.
전원공급 시스템 설계
전원 공급 시스템은 해상에 설치된 정치망 어군 원격 모니터링 시스템을 운용하기 위해서 필수적이다. 하지만, 해상은 높은 파고와 염분 등 열악한 환경으로 인해 설치와 운용상 편리한 태양광 발전 시스템을 많이 사용 하고 있다. 본 연구에서도 정치망 어군 원격모니터링 시스템의 전원을 공급하기 위해 태양광 발전시스템을 설계하여 적용하였다. 그 이유는 정치망 어군 원격모니터링 시스템이 태양광 모듈을 부착하기 쉬운 형태이며, 시스템 운용의 효율성 측면에서 풍력 발전시스템보다 태양광 발전시스템이 높다고 판단했기 때문이다.
태양광 발전시스템은 태양광 모듈, 배터리와 충전 컨트롤러로 구성되는데 각각의 용량은 Table 3과 같이 정치망 어군 원격모니터링 시스템의 총소비전력과 사용 시간으로 설계하였다. 여기서, 총소비전력은 어군 탐지기와 저전력 정치망 어군 정보전송 모듈 각각에서 소비하는 전력의 합으로 계산하였다.
성능분석
개발한 저전력 정치망 어군 정보전송 모듈의 성능은 정치망 어업 현장 적용과 이동하는 선박의 해상실험을 통해 측정된 소비전력, 데이터 송수신율과 통신거리를 분석하여 평가하였다.
소비전력 측정은 배터리 용량별로 모듈의 사용 가능 한 시간을 파악하기 위한 것이며, 어군 정보의 송수신율 은 데이터 품질을 평가하기 위한 것이다. 어군 정보의 송‧수신율은 어군 정보가 수집되지 않았거나, 웹서버용 소프트웨어에서 어군 정보를 이미지로 변환하여 처리하지 못한 구간을 24시간 단위로 분석하였다.
데이터 통신거리는 WCDMA 이동통신의 신호 영역을 파악하기 위한 것으로 저전력 정치망 어군 정보전송 모듈을 이동하는 선박에 설치하여, GPS의 위치정보로 확인하였다. 선박의 위치는 모듈에 내장된 GPS에서 5초 간격으로 전송된 위치정보로 확인하였으며, 위치정보의 송수신율도 함께 측정하였다. Table 4는 WCDMA 기반의 저전력 정치망 어군 정보전송 모듈의 데이터 통신거리와 송수신율 측정을 위한 설계 사양이다.
결과 및 고찰
Fig. 5는 본 연구에서 개발한 WCDMA 기반의 저전력 정치망 어군 정보전송 모듈과 어군 탐지기의 소비전력을 나타낸 것으로 소비전력은 오실로스코프(Fluke 190-504, USA)를 사용하여, 전압과 전류로 측정하였다.
특히 어군 탐지기의 소비전력은 출력 강도를 변화시키면서 측정했으며, 개발한 모듈과 어군 탐지기 각각의 소비전력에 대한 최솟값, 최댓값 그리고 평균값을 Table 5와 같이 나타내었다. 실험 결과로부터, 개발한 모듈과 어군 탐지기로 구성하는 정치망 어군 원격모니터링 시스템의 평균 소비전력은 4.6 W임을 확인하였다.
WCDMA의 이동통신 신호 영역은 우리나라 동해안 지역을 대상으로 선박을 이용해 Fig. 6과 같은 경로로 이동하면서, 저전력 정치망 어군 정보전송 모듈에 내장 된 GPS의 위치정보를 수집하여 통신 가능한 거리를 분석하였다.
GPS 위치정보는 일부 경로에서 송수신되지 않는 현 상도 발견되었고, 송수신율과 최대 통신거리는 각각 98.79%와 22.84 km임을 확인하였다. 이와 같은 이동통신 신호 영역은 우리나라의 정치망 어구가 설치되어 있는 위치를 포함하는 거리이지만, 정확한 분석을 위해서 후속 연구를 통해 동해를 비롯한 서해와 남해안에서도 실험을 진행해야 할 것으로 판단된다.
Fig. 7과 같이 24시간 단위로 총 30회 어군의 정보 송수신율을 측정한 결과, 최소, 최대와 평균값은 각각 82.88, 97.26, 90.26%임을 확인하였다. Fig. 8은 어군의 정보 송수신율이 가장 낮고 높을 때, 어군 이미지를 캡처 한 것이다.
실험 결과로부터 어군의 정보 송수신율 평균값은 GPS 위치정보의 송수신율보다 8.53% 낮게 나타났다. 첫 번째 원인은 대지, 수면, 건물, 나무 등 지형지물에 의한 반사로 인해 발생한 정보전송 손실로 파악되며, 해상에서의 수면 반사 신호는 지표면 반사 신호보다 감쇄가 적어 인접 기지국에 더 많은 간섭을 주는 것으로 알려져 있다(Choi, 2001). 특히, 정치망 어군 원격모니터 링 시스템의 경우는 부이 형태로 해수면에서 운영됨에 따라 수면 반사에 의한 정보전송 손실과 기상의 영향이 큰 것으로 판단된다. 따라서, 반사파에 의한 정보전송 손실을 최소화하는 안테나 설계 기술과 높은 파고에서도 부이가 해수면에서 안정적인 자세로 유지할 수 있게 복원력을 향상하는 기술개발에 관한 후속 연구가 필요 할 것으로 판단된다.
두 번째 원인은 어군이 GPS 위치보다 상대적으로 정보량이 많아서 웹서버에서 어군 정보를 고속으로 처리 할 때 이미지로 변환되지 못한 경우로 파악된다. 이를 해결하기 위해서는 정보가 누락되거나 잘못된 값으로 전송되었을 때, 기존에 수집된 정보를 참고하여 자동으로 필터링하거나, 재생성하는 기술개발이 필요할 것으로 판단된다.
본 연구에서는 사용자 편의를 위해 원격지에서 PC와 모바일 기기로 정치망 어군 정보를 확인할 수 있도록 Fig. 9와 같이 웹서비스를 개발하였다. 웹서비스는 개인 정보보호를 위한 로그인 기능을 추가하여, 관리자의 권 한 부여에 따라 사용자의 그룹 또는 개인별로 구분하여 정치망 어군 정보를 제공하도록 설계하였다.
웹서비스는 Table 6과 같이 날짜와 시간별로 정치망 어군 정보를 검색하여, 영상으로 재생할 수 있고, 신속한 정보 검색을 위해 날짜와 시간별로 어군 정보를 조회할 수 있도록 설계하였다. 개발한 웹서비스는 정치망 어업 현장에 설치한 WCDMA 기반의 저전력 정치망 어군 정보전송 모듈의 정보 송수신율을 분석하고, 데이터 수집 및 모니터링 성능을 파악하는데 활용하였다.
본 연구에서 개발한 WCDMA 기반의 저전력 정치망 어군 정보전송 모듈의 성능을 분석한 결과, 소비전력과 WCDMA 이동통신 거리 측면에서는 정치망 어업 현장 에 사용 가능한 수준이나, 반사파와 기상 등으로 인해 어군의 정보전송 손실이 발생함에 따라 정보 송수신율 향상을 위한 방안 마련이 필요하다. 또한 정보 송수신율 뿐만 아니라, 정보전송 속도 향상을 위해서 WCDMA외 다른 이동통신망을 활용하는 방안도 마련되어야 할 것 이며, 특히 현재 연안으로부터 최대 100 km까지 무선통 신이 가능한 해상무선통신망(LTE-M)을 활용하는 기술 적 검토가 필요할 것으로 판단된다.
결 론
본 연구에서는 정치망 어업의 효율성을 높이고 경제 적인 WCDMA 기반의 저전력 정치망 어군 정보전송 모듈을 개발하였다. 개발한 모듈은 소비전력, 어군의 정보 송수신율과 통신거리 등을 분석하여, 해상에서의 WCDMA 이동통신을 이용한 원격 어군 모니터링 기술의 적용 가능성을 평가하였다.
개발한 모듈의 성능실험 결과, 개발한 모듈과 어군 탐지기로 구성하는 정치망 어군 원격모니터링 시스템의 평균 총소비전력은 5 W 이내로 매우 낮아 운영시간의 제약은 없었다. WCDMA 통신의 신호 영역은 이동하는 선박의 위치를 모듈의 GPS 위치정보로 분석한 결과, 송수신율과 통신 가능한 최대 거리는 각각 98.79%, 22.84 km이지만, 어군 정보의 송수신율의 평균값은 90.26%로 상대적으로 낮았다.
따라서, 개발한 정치망 어군 정보전송 모듈의 소비전력과 WCDMA 이동통신 거리는 정치망 어업 현장에 사 용 가능한 수준이지만, 어군 정보의 송수신율 향상을 위한 지속적인 연구개발이 필요할 것으로 판단된다. 특히 해상 이동통신 사용의 기술적 한계와 어업인의 비용 부담 문제를 동시에 해결할 수 있는 후속 연구가 수행되어야 할 것으로 판단된다.
