데이터 사이언스 기반 어류 성장 및 질소 Mass-Balance 통합 모델링 방법론: 순환여과양식 시스템 기반 아쿠아포닉스 적용
- Alternative Title
- Data Science-Based Integrated Modeling Methodology of Fish Growth and Nitrogen Mass-Balance: Application to Recirculating Aquaculture System Based Aquaponics
- Abstract
- This study developed an integrated biological and nitrogen mass-balance model based on data science for efficient operation of recirculating aquaponics systems. Unlike previous approaches limited by varying experimental conditions, this research proposed a new data-driven method for predicting biological production in aquaculture. Chapter 1 developed a growth prediction model for Japanese eel (Anguilla japonica) using field data. The new variable growth model significantly improved accuracy over traditional TGC models by distinguishing rapid and moderate growth groups, demonstrating practical effectiveness and stability in smart aquaculture. Chapter 2 performed a meta-analysis to identify optimal nitrate-nitrogen concentrations for crop growth in aquaponics, determining the optimal level to be around 105 ppm, with limited benefits above this concentration, providing critical design and operational benchmarks. Chapter 3 validated a mass balance model integrating eel growth predictions and optimal nitrate-nitrogen levels in a real aquaponics system. It revealed significant effects of environmental factors, especially water exchange rates, on prediction accuracy. Incorporating real-time variables notably improved predictive precision. Overall, this research proposed and validated practical, data-driven models enhancing the operational efficiency of aquaponics, significantly contributing to sustainable and smart aquaculture technologies.
- Issued Date
- 2025
- Awarded Date
- 2025-08
- Type
- Dissertation
- Publisher
- 국립부경대학교 대학원
- Alternative Author(s)
- Bae jae hyun
- Affiliation
- 국립부경대학교 대학원
- Department
- 대학원 수산생물학과
- Advisor
- 박정환
- Table Of Contents
- 총서론 1
Ⅰ. 현장 데이터 기반 극동산 뱀장어(Anguilla japonica)의 성장 속도 분포 분석 및 성장 예측 모델 개발 5
1. 서론 5
2. 재료 및 방법 8
2.1. 순환여과양식 시스템(RAS)의 구성 및 운영 8
2.1.1 뱀장어 순환여과양식 시스템 8
2.2 데이터 수집 방법 10
2.2.1 데이터 수집 기간 및 주기 10
2.2.2 샘플링 방법 및 측정 항목 10
2.2.3 수질 데이터 수집 및 분석 10
2.2.4 수집 데이터의 관리 및 기록 방법 11
2.3. 데이터의 처리, 연결 및 분석용 데이터셋 구성 13
2.3.1 원본 데이터의 특성 및 구성 13
2.3.2 양식산업 현장의 수조 선별 방식 및 데이터 연결 과정의 특성 13
2.3.3 변동 성장 모델 개발을 위한 연결 데이터셋 구성 14
2.3.4 변동 성장 모델 검증을 위한 최종 데이터셋 구성 15
2.4 기존 TGC 모델 분석 및 정확도 검증 21
2.4.1 기존 성장 모델 21
2.4.2 입식 개체중량과 TGC값 간의 회귀분석 방법 22
2.5 신규 변동 성장 모델 개발 방법 23
2.5.1 수온의 고정 및 성장 그룹 분류 23
2.5.2 그룹별 변동 성장 모델 회귀분석 및 TGC값 산출 23
2.6 통계기법을 활용한 변동 TGC 모델의 예측 정확도 평가 25
2.6.1 평가 지표의 정의 및 활용 25
2.6.2 분석 방법 및 모델 간 성능 비교 26
3. 결과 27
3.1 기존 TGC 모델 평가 27
3.1.1 기존 모델에서 활용한 TGC회귀식 27
3.1.2 기존 TGC 모델 회귀식을 이용한 최종 체중 예측 결과 29
3.2 변동 TGC모델의 개발 31
3.2.1 성장그룹별 TGC 회귀식 및 최종 변동 모델식 31
3.2.2 변동 TGC모델 예측도 평가를 위한 최종 데이터 가공 33
3.3 기존 및 변동 TGC 모델의 성능 평가 결과 38
4. 고찰 42
Ⅱ. 메타분석을 이용한 작물의 질소 흡수량 분석 45
1. 서론 45
2. 재료 및 방법 50
2.1 문헌 수집 및 선정 기준 50
2.2 데이터 추출 및 표준화 55
2.2.1 Dry biomass의 환산 55
2.2.2 질산성 질소 농도의 단위 통일 55
2.2.2 효과크기 계산을 위한 구성 56
2.3 메타분석 및 메타회귀 분석 방법 57
2.3.1 메타분석: 표준화된 평균 차 57
2.3.2 메타회귀 58
3. 결과 59
3.1 메타분석 결과 59
3.2 이질성 분석 62
3.3 메타회귀 분석 결과 63
4. 고찰 65
Ⅲ. 아쿠아포닉스시스템 내 성장분포에 따른 TGC 성장모델 및 Mass balance 검증 68
1. 서론 68
2. 재료 및 방법 70
2.1 모델 개발의 이론적 배경과 접근 방식 70
2.1.1 모델의 목적과 필요성 70
2.1.2 Mass Balance 이론의 개념 및 원리 소개 71
2.1.3 모델 개발을 위한 접근 방향 설명 73
2.1.4 모델 수식 도출의 논리적 흐름 제안 75
2.2 모델 검증을 위한 실험 시스템 79
2.2.1 시스템 구성 정보 제공 79
2.2.2 실험 설계 및 운영 방법 83
2.2.3 모델 검증 방법 및 절차 85
3. 결과 (Results) 87
3.1 모델 수식의 도출 과정 및 최종 모델식 87
3.1.1 순환여과양식 시스템 모델 수식 도출 과정 89
3.1.2 작물베드 유량 모델 수식 도출 과정 93
3.2 실제 시스템 적용 결과 96
3.2.1 실험 시스템에서 측정한 변수값의 제시 및 유입유량설정 96
3.2.2 모델 예측값과 실제 운영값 비교 분석 103
4. 고찰 (Discussion) 109
4.1 모델 예측 정확도 및 한계에 대한 논의 109
4.2 환수율 변수 적용의 중요성 강조 111
4.3 모델 개선 방안 및 향후 연구 방향 제시 114
종 합 고 찰 116
요약 118
감사의 글 120
참고문헌 122
Appendix 129
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