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고정형•주행형 4K 카메라, 5G 특화망, AI 기반 소의 기립불능 등 위험 징후 조기•자동 발견 [가고시마현 소 목장]
Fixed and driving 4K cameras and AI-powered early, automatic detection of cattle danger signs
October 23, 2023 | By 손장우 (son@netmanias.com)
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    손장우 (Harrison Jangwoo Son)

    넷매니아즈 | (주)엔앰씨컨설팅그룹 대표이사

    son@netmanias.com

 

 

소의 사육에서는 병이나 사고로 한 마리라도 폐사하면 손실이 크기 때문에(통상 1마리 출하시 가격이 1천만원 정도임), 한 마리 한 마리 상태를 세심하게 살펴보고 컨디션 불량이나 기립불능* 등의 위험한 징후를 조기에 인지하고 대처하여 사망을 막는 것이 매우 중요하다.

 

* 기립불능(起立不能): 다양한 원인으로 대략 20분이상 움직임이 없이 쓰러져 있는 상황. 기립불능 소의 폐사는 전체 폐사의 10%에 이름. 3시간 이내에 발견하면 폐사율을 낮출 수 있다고 함. 

 

그런데, 대규모 목장에서는 매일 수십개 우사내 수천마리의 소를 하나 하나 그것도 마리당 20분 정도 관찰하여 소 건강 상태를 체크하는 것은 많은 노동력(인건비)을 필요로 하며, 또 목장 직원이 실수로 발견하지 못할 수도 있다. 특히, 기립불능, 원인불명의 사망은 주로 야간에 많이 발생하는 데, 야간에는 목장 직원이 발견하지 못하거나 늦게 발견할 가능성이 주간보다 더 높다.

 

이러한 문제를 1천여대의 감시카메라, AI, 순찰로봇, 5G 특화망을 도입하여 극복한 일본 가고시마현 ㈜우시노 나카야마 소 목장의 사례를 살펴보자.  

 

 

<일본 가고시마현 ㈜우시노 나카야마의 소 목장>

 

 

<목장내 한 개 우사 내부, 총 42개 우사>

 

2023년 2월에, NTT서일본(과제 총괄), 후지쯔(5G 특화망 장비), 드림원 카고시마(IP카메라와 AI기반 소 건강 관리솔루션),가고시마 대학(순찰로봇 솔루션) 등은 기립불능 등의 위험 징후를 자동/상시/조기 발견하기 위해 가고시마현 ㈜우시노 나카야마의 소 목장에, 소 행동관찰•건강관리를 제공하는 AI•순로봇•5G 특화망 기반의 소 건강 관리 시스템을 구축했다[1],[2].

 

소 건강관리 시스템은 우사내 설치된 카메라로부터 방대한 화상을 획득하여 에지 AI 서버에서 실시간 분석하여 비정상 소를 조기에 자동 발견하고 원격 감시원에게 5G 특화망을 통해 알람과 함께 라이브 영상을 스트리밍해주어 소의 상태를 관찰하게 해준다. 관찰 결과 더 상세한 확인이 필요하다고 판단한 경우, 순찰봇을 해당 우방으로 이동시켜 원격으로 상세히 진단한다

 

㈜우시노 나카야마 목장의 구조와 소 건강관리 시스템

 

㈜우시노 나카야마의 목장은 우사가 총 42동이며 5천여 마리의 소(와규: 검은 일본소)를 사육하는 대규모 목장(면적: 300m x 400m)이다. 42개 동의 우사 중 18개 동에 건강 관리 시스템을 구축했다.

 

<㈜우시노 나카야마 목장의 우사 구조와 건강관리 시스템>

 

상기 그림에 건강관리시스템이 적용된 ㈜우시노 나카야마 목장의 구조가 나타나 있다. 2개의 우사가 하나의 관리존(Zone)을 형성하며 총 9개의 존(18개 우사)이 관리 대상이다.

 

각 우사내에는 56개의 우방(2 마리 소가 거주하는 방)이 존재하며, 우방당 1대의 IP카메라가 설치되었다.

 

총 18개 우사내에 1,008개의 우방(=56우방/우사 x 2우사/존 x 9존)에 1,008대의 4K IP카메라가 설치되었고 현재 총 2,016마리의 소가 건강 관리 시스템으로 관리되고 있다.

 

감시원의 우방 원격 모니터링

 

 

1,008개의 IP 카메라는 총 9개의 5G UE와 유선으로 연결되고, 이 5G UE들은 5G 특화망을 통해 현장사무소와 연결된다.

 

동시에 최대 64대의 4K IP 카메라 영상(3860x2160, 5fps)을 현장사무소 모니터에 표시•열람하는 것이 가능하고 통상 운영에서는 16분할 화면으로 운영한다.

 

AI와 순찰로봇 기반 기립불능 자동/조기 발견

 

각 존마다 AI 화상해석 서버가 설치되며 총 9 대의 AI 서버가 설치되었다. 각 AI 화상해석 서버(드림원 카고시마사의 Dr.Cows뷰)는 112대의 IP 카메라로부터 각각 28초마다 정지화상을 획득하여, AI 화상해석을 통해 소의 기립 불능, 이상 행태, 소의 체중, 채식 시간과 양, 식수 시간 등을 파악한다.

 

 

  AI 서버는 기립 불능 등의 이상 발생을 검출하면 감시원에게 전용LINE앱으로 알람을 발송하고, 5G 특화망을 통해 감시원 PC의 전용 뷰어 화면으로 해당 우방의 천정 IP 카메라의 라이브 영상을 실시간으로 스트리밍(16Mbps/4K/15fps) 해준다.

 

감시원은 AI 서버의 알람으로 소의 이상 발생을 조기에 발견할 수 있으며, AI 서버가 전달해주는 이상 발생 소의 라이브 영상을 보며 상황을 파악한 후, 좀 더 세밀한 소 상태 파악이 필요하면 순찰로봇을 가동시켜 해당 우방으로 이동시킨다.

 

순찰로봇에 탑재된 4K카메라의 영상은 5G 특화망을 통해 관리동으로 실시간 스트리밍(15Mbps/4K/15fps)되며, 감시원은 4K카메라를 조작(PTZ: 좌우, 상하, 줌)하면서 원격으로 소의 상태를 상세히 진단한다.

 

 

<AI•순찰로봇•5G 특화망 기반의 소 건강 관리 시스템>

 

2천마리가 넘는 소를 관리하기 때문에 동시 다발적으로 여러 소에 이상이 발생할 수 있어, 최대 4대의 IP 카메라 영상(기립불능 소 우방의 카메라)이 5G 특화망을 통해 관리동으로 스트리밍할 수 있게 설정했다.

 

전술한 바처럼, 기립불능, 원인불명의 사망은 주로 야간에 많이 발생하는 데, 우방 천정에 설치되는 IP 카메라는 적외선 LED가 탑재되어 있어 야간에도 선명하게 소의 움직임을 식별할 수 있다.

 

5G특화망이 필요한 이유

 

순찰로봇이 목장내 전역을 주행하며 우방의 영상을 전달하는 데, 목장의 면적이 300mx400m로 광대하여 커버리지가 수십m인 와이파이로 무선망을 구축하면 많은 수의 AP가 필요하여 비용이 많이 소요되고, 많은 수의 AP를 관리해야 하는 부담이 크다. 또한, 업링크 용량이 최대 80Mbps가 필요한데(순찰로봇의 라이브 스트리밍 15Mbps, AI 서버의 최대 4대 IP 카메라의 라이브 스트리밍 각 15Mbps), 4G는 업링크 용량이 않되고, 이통사의 5G는 트래픽 비용이 상당하다.

 

5G 특화망은 커버리지가 수백m에서 1Km에 이르고(본 목장의 경우 RU는 3대만 설치되었음), 업링크와 다운링크 비율을 조정하여 업링크 용량을 늘일 수 있어 100~200Mbps 정도의 업링크 용량을 확보할 수 있어 5G 특화망으로 구축하였다.

 

5G 특화망(5G SA)은 샤프사 장비로 구축하였고 5G 특화망 주파수는 옥외용인 4.8-4.9GHz를 사용하였다. 5G SA 코어, CU, DU는 목장내 옥외 통신 함체에 설치하였고 RU는 목장내 총 3대를 전주에 설치하였다.

 

NTT 서일본의 사업화 계획

 

NTT 서일본은 2022년 말부터 올해 2월까지 ㈜우시노 나카야마 목장에 5G 특화망 기반의 소 건강관리 시스템을 구축했고 2023년 이를 고도화하여 2024년부터 다른 대규모 축산농가를 대상으로 상용 서비스를 제공할 예정이다.

 

5G 특화망 장비와 소 건강관리 시스템이 고가이기 때문에 구매형으로 서비스하지 않고 초기 비용없이 월정액으로 제공할 계획이며, 5G 특화망은 년 5,076천엔(4천6백만원 정도), 소건강관리시스템은 월 1천엔/마리로 계획하고 있다.

 

[1] NTT 서일본, AI 화상해석과 순찰로봇에 의한 고품질 와규의 비육 효율화, 일본 총무성 로컬 5G실증 보고서, 2023.03

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