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본 보고서는 「인공지능 기반 해양환경관리시스템 개발 및 기획」과제의 최종보고서로 제출됩니다.

기획 연구 배경

여건변화와 전망

• 해상풍력발전 현황 및 전망
• 외해 양식 전망
• 에너지 생산과 수산양식 다목적 플랫폼 전망
• 해상풍혁발전 현황 및 전망

에너지 생산 및 양식업을 위한 다목적 플랫폼에 대한 전망. 해상 양식 생산 기술은 지속적으로 향상되고 있지만, 투자 유치를 위해서는 성공적인 본격적인 현장 실증이 필요합니다.

[그림 1-2] 세계 각국의 해상풍력발전 계획 용량

다목적 플랫폼의 환경관리 시스템 필요성

• 해양환경 예측·예보 시스템의 필요성
• 해양환경 상시관측 시스템의 필요성
• 해양관측자료 및 정보 인프라의 구축 필요성
• 기술 융·복합을 통한 신산업 창출 필요성

해양 환경에 대한 영구 모니터링 시스템의 필요성. 해양관측자료 및 정보인프라 구축의 필요성

[그림 1-11] 운용해양학 시스템의 개념 (자료: 해양수산부, 2007)

해양환경 모니터링 시스템 현황

수질 환경 모니터링 시스템 개발 현황

광범위한 입자 분포 식물성 플랑크톤을 측정하기 위해 개선 및 개발되었습니다. Woods Hole 해양 연구소는 최근 Imaging Flow Cytobot(IFCB)으로 명명되었습니다. 3D-VPR을 ROV에 장착하여 3D 이미지를 측정할 수 있습니다.

[그림 2-1] APEX에 장착된 ISUS 질산염 센서(좌)와 상용화된 Satlantic사의 질산염 센서(우)

퇴적물 모니터링 시스템 개발 현황

이러한 자동분석장치는 해안이나 하구의 자동수질측정소에서 사용되고 있으나, 국내에서는 아직 수중계류장비가 개발되지 않았다. 해양관측장비 개발사업으로 해양응용용 엽록소형광센서, 중금속 측정용 수중 XRF, 용존산소 측정용 광관 등의 연구개발이 진행되었으나 상용화에는 이르지 못했다. 현재 해양측량장비 국산화를 위한 연구개발사업으로 수중음향단층촬영 및 3차원 천층측량장비 등이 개발되고 있다.

원천기술을 바탕으로 글로벌 시장에서 경쟁할 수 있는 해양관측 센서 개발이 필요하다.

생태계 모니터링 시스템 개발 현황

국립수산과학원에서는 수산환경 모니터링과 환경능력 평가에 관한 많은 연구가 진행되고 있다. 특히, 현장관측장비(저서실, 입자추적장치 등)와 다양한 모니터링 기법을 이용하여 유기물의 순환과 저층의 흐름을 추정하고, 이 데이터를 활용한 생태계 모델 구축에 대한 연구를 진행하고 있습니다. KIOST는 GOCI 위성을 활용하여 우리나라 주변 바다의 엽록소 a의 일일 변화를 모니터링하고 제공하며, 이를 통해 적조 발생, 바다 모래 채취, 생태계 교란 등의 위협 요소를 파악합니다.

KIOST가 음파를 이용해 레드워터의 조기 발생을 모니터링할 수 있는 기술을 개발했다.

원격감시 시스템 개발 현황

다목적위성(KOMPSAT, 아리랑) 및 천리안위성 개발로 저궤도 및 정지궤도 지구관측위성 개발에 필요한 기초기술을 확보하였습니다. 500kg급 차세대 중형위성 표준체 개발을 추진해 실용위성 양산을 추진한다. 고해상도 위성영상 제공이 가능해 지리정보, 국토자원관리 등에 활용이 추진되고 있다.

충분한 양의 해양 모니터링 데이터를 생성하는 데에는 위성 자원이 제한되어 있습니다.

[그림 2-11] 우리나라의 위성개발 로드맵

상시 측정자료의 관리 및 처리기술 개발 현황

JODC에 저장된 데이터는 J-DOSS(JODC 데이터 온라인 서비스 시스템)를 통해 검색 및 조회가 가능합니다. 캐나다 해양수산부는 북태평양에 대한 시계열 데이터를 얻기 위해 P 라인 프로그램을 운영하고 있습니다. 해양물리, 해양화학, 해양생물학, 해양지질학 전 분야의 데이터입니다.

수집된 데이터는 해양수치모델 결과 검증 및 데이터 동화를 위해 활용됩니다.

[그림 2-12] NODC 홈페이지(좌) 및 자료검색 결과(우)

OSMOSE 모델은 상위 영양 수준의 다종 IBM(Individual-Based Model) 모델로 하위 영양 수준의 모델인 ROMS-NPZD, BFM, ERSEM과 조합하여 사용된다. 서울대학교(2003)는 「생지화학적 모델링을 활용한 해양자원 통합관리 기반구축 연구」에서 동해 생태계 모의를 위해 북태평양을 중심으로 연구하였다. Driven 모델의 결과에 대한 비교 연구가 수행되었습니다.

NH3-N, COD, TCO, TP, 탁도 등을 입력자료로 활용하여 수질을 예측할 수 있는 모델을 개발하였다.

[그림 2-22] 유럽연합 MEECE 프로젝트 웹사이트 및 연구해역

문제점 분석 및 개선방안 도출

GAP Analysis을 통한 문제점 분석

데이터 기반 모델의 입력 데이터에 대해 누락된 데이터를 보상할 수 있는 시스템이 없습니다. 원격탐사 데이터는 보정되지 않아 정확성이 부족하다. 실시간으로 관찰된 데이터의 품질을 자동으로 분석하고 이를 확인하기 위한 품질 점검을 수행할 수 있는 시스템은 없습니다.

부적절한 구축 • 화학적, 생물학적 요인에 대한 정기적인 측정 데이터가 부족하여 데이터 기반 모델 구축이 어렵습니다.예측 및 예측.

[표 2-5] 목표와 현실의 격차 분석

개선방안

해양관측 인프라와 관측자료 및 정보를 통합 활용합니다. 다양한 기관의 다양한 관측데이터를 다수의 사용자가 통합적으로 이용할 수 있도록 하여 데이터 활용도를 극대화합니다. 실시간 관찰 데이터 분석 및 품질관리 기술 개발

수치 모델과 데이터 기반 모델을 통합할 필요성.

[표 2-6] 해상풍력단지 조성시 예측·예보가 필요한 주요 현안 문제

목표 및 추진전략

목표

추진전략

서남해 해상풍력단지 관측 인프라 통합 운영 및 원천기술 개발을 통한 설치·운영 비용 절감 제안 개발된 기술과 시제품의 성능을 현장에서 안정적으로 테스트하기 위한 테스트베드를 구축, 운영하여 신기술 도입 시 시행착오를 최소화합니다.

분야별 세부 과제 도출

아니요. 원천기술분류 세부과제 내용입니다. 지능형 해양환경 연속관측 기술(관측 플랫폼. 3 연속관측 빅데이터 자동 분석 및 처리 기술.

4 하이브리드 해양생태계 모델을 통한 예측 및 예측 기술.

원천기술별 세부 계획

• 지능형 해양환경 상시 관측기술 (센서)
• 지능형 해양환경 상시 관측기술 (관측플랫폼)
• 상시 관측 빅데이터 자동분석 및 처리기술
• 하이브리드 해양생태계 모델에 의한 예측·예보 기술

해양환경관측자료 항목별 품질목표 정의 해양환경 관측자료 항목별 누락자료를 보완하는 기술 개발 현장관찰을 통해 얻은 해양자료를 체계적으로 수집·관리하는 체계를 구축한다.

관찰 초기부터 데이터가 수집되고 축적되었습니다.

[그림 3-2] 입자포획기

연구개발 로드맵

소요 예산

기대효과 및 활용방안

기대효과

활용방안

남서해 해상풍력 실증단지 활용에 관한 자문 국가해양관측망 기본계획에 따른 해양운영시스템 구축계획. Solomine, 2005, 퇴적물 이동, 지구 물리학 및 화학 맥락에서 데이터 기반 모델링.

Aquacult Engin Burchard-Levine, A., Shuming Liu b, Francois Vince, Mingming Li, Avi Ostfeld, 2014, A hybrid evolutionary data-driven model for river water quality early warning, Journal of Environmental Management.