JP2015065912A

JP2015065912A - 植物成長および運用コストシミュレーションに基づいた植物工場環境制御システム

Info

Publication number: JP2015065912A
Application number: JP2013203860A
Authority: JP
Inventors: 康二西田; Koji Nishida
Original assignee: Hitachi Solutions Ltd
Current assignee: Hitachi Solutions Ltd
Priority date: 2013-09-30
Filing date: 2013-09-30
Publication date: 2015-04-13

Abstract

【課題】目標栽培期間と目標重量の入力に対し、植物育成シミュレーションにより環境パラメータを導出し、栽培期間中の気象予測データを参照し、制御コストを導出することにより、植物育成を期間・コスト両面で計画的に実施する。【解決手段】植物育成管理サーバが、情報入力表示端末から、植物工場毎の目標栽培期間と目標重量を受信したとき、栽培目標データとして登録する栽培目標データ記憶手段と、栽培目標データを参照して環境設定データを導出し登録する環境設定データ記憶手段と、植物栽培期間の気象予測データを取得し、環境設定データを参照し、コスト予測データを導出し登録するコスト予測データ記憶手段と、情報入力表示端末に表示されるコスト予測データの選択に対し、対応する環境設定データを、育成管理クライアントへ送信する手段を備えることを特徴とする。【選択図】図２

Description

本発明は、太陽光併用型植物工場の制御システムに係り、特に目標収量および栽培期間の入力に対し植物成長および運用コストシミュレーションに基づき植物工場の施設制御を行うシステムに関するものである。

植物工場は、施設内に植物の育成環境を構築し、植物に対する外界からの影響を抑え、育成環境を機器で制御することで露地育成に比べて安定した植物育成を行うことを目標とする施設である。
植物工場には、外部から隔離した閉鎖環境で制御する「完全閉鎖型植物工場」と、温室等の半閉鎖環境で外部の環境をある程度利用する「太陽光併用型植物工場」などがある。

完全閉鎖型植物工場は、育成コントロールが容易に行える反面、初期投資および工場を運営するコストが高くなる特徴がある。太陽光併用型植物工場は、完全閉鎖型植物工場に比べてコストを抑えることができる反面、日射量や温湿度など、外界の影響を受けやすいという特徴がある。

我が国においては、太陽光併用型植物工場は簡易的・小規模なガラスハウスが一般的であり、このような植物工場では環境制御の自動化の程度は低く、栽培者の手作業による制御のウエイトが大きいことが特徴である。

一方、国の積極的な支援もあり昨今では数haの床面積を持つ大規模な植物工場が稼働し始めている。このような大規模な植物工場の制御は人手で行うには限界があり、ＩＴを活用した施設環境制御システムが導入されている。
このような施設環境制御システムの特徴は次の3点に要約できる。
（１）外環境をセンシングし、目標とする制御設定値(温湿度,CO２濃度など)へ内部環境を近づけるよう施設設備(空調機器,加湿機器など)が自動でコントロールされる。
（２）培養液をセンシングし植物の根に必要十分な栄養素および水分が供給されるよう、濃度・EC値などを調節する。
（３）上記（１）、（２）のセンシングデータをデータベースに格納し、移動型あるいは固定型端末装置を用いて情報解析を行い制御設定値へフィードバックするシステムを備える。
一方、熟練の農作業者が経験と勘で施設制御の設定値を決定している部分が少なからず存在し、素人でも容易に扱えるような制御システムは実現できていない。

特開２０１１−２５４７２２号公報

太陽光併用型植物工場では、完全閉鎖型植物工場に比べて外部環境の影響を受けやすい。そのため、天候や季節を考慮し適切な環境制御を実施しなければ目標とする収量や納期を達成できない可能性がある。これは、積極的にエネルギーを使い各種制御機器を動作させることによって補うことができる。しかし、植物生育に関わる環境パラメータは複雑であり、制御を誤ればエネルギーの無駄遣いばかりか減収量につながりかねない。

本発明の目的は、エネルギーの無駄遣いや収穫量の減少が起こらないように、環境制御コストを把握した上で、栽培を計画的に実施することができる植物工場環境制御システムを提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明の植物成長および運用コストシミュレーションに基づいた植物工場環境制御システムは、利用者の情報入力表示端末と通信ネットワークにより接続可能な植物育成管理サーバと、前記植物育成管理サーバと植物工場施設環境制御装置と環境センサと通信ネットワークにより接続可能な植物育成クライアントとを備えた植物成長および運用コストシミュレーションに基づいた植物工場環境制御システムであって、
前記植物育成管理サーバが、
前記情報入力表示端末から、植物工場毎の目標栽培期間と目標重量を受信し、該目標栽培期間と目標重量を栽培目標データとして登録する栽培目標データ記憶手段と、この栽培目標データ記憶手段に記憶された前記栽培目標データを参照し、目標とする光合成速度を導出し、前記栽培目標データ記憶手段に植物工場毎に紐付けて登録する手段と、前記栽培目標データ記憶手段に記憶された前記光合成速度を参照し、環境設定データを導出し、環境設定データとして登録する環境設定データ記憶手段を備えることを特徴とする。
また、前記植物育成管理サーバが、前記栽培目標データ記憶手段に記憶された前記栽培目標データを参照し、植物栽培期間の気象予測データを通信ネットワーク経由で取得し、気象予測データとして登録する気象予測データ記憶手段と、この気象予測データ記憶手段に記憶された前記気象予測データと、前記環境設定データ記憶手段に記憶された前記環境設定データを参照し、植物工場の環境制御コストを導出し、コスト予測データとして登録するコスト予測データ記憶手段と、取得した前記コスト予測データを前記情報入力表示端末に表示する表示手段とをさらに備えることを特徴とする。
また、前記植物育成管理サーバが、前記情報入力表示端末に表示された前記コスト予測データのうちいずれかの選択に対し、対応する前記環境設定データ記憶手段に記憶された前記環境設定データを、前記育成管理クライアントへ送信する手段をさらに備えることを特徴とする。
また、前記植物育成管理クライアントが、前記植物育成管理サーバより送信される前記環境設定データを受信し、前記植物工場施設環境制御装置へ前記環境設定データを送信する手段をさらに備えることを特徴とする。

本発明によれば、入力される栽培期間と目標重量に基づき、生育およびコストシミュレーションを実施することで、環境制御コストを把握した上で、栽培を計画的に実施することができる。

本発明に係る植物成長および運用コストシミュレーションに基づいた植物工場環境制御システムの実施形態を示す全体構成図である。植物育成管理サーバの構成の一例を示す機能ブロック図である。植物育成管理クライアントの構成の一例を示す機能ブロック図である。植物工場施設部の構成の一例を示す機能ブロック図である。環境センサ部の構成の一例を示す機能ブロック図である。栽培目標データに登録されているデータ構成の一例を示す図である。環境設定データに登録されているデータ構成の一例を示す図である。気象予測データに登録されているデータ構成の一例を示す図である。コスト予測データに登録されているデータ構成の一例を示す図である。環境センサデータに登録されているデータ構成の一例を示す図である。生育シミュレーション部の処理の概要を示すフローチャートである。コストシミュレーション部の処理の概要を示すフローチャートである。生育およびコストシミュレーション処理における入出力データを説明する図である。

以下、本発明に係る植物成長および運用コストシミュレーションに基づいた植物工場環境制御システムの実施形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
図１は、本発明に係る植物成長および運用コストシミュレーションに基づいた環境制植物成長および運用コストシミュレーションに基づいた植物工場環境制御システムの実施の形態を示す全体構成図である。

図１に示すように、本実施形態の植物工場環境制御システムは、植物育成管理サーバ１０１と、植物工場１０６と植物工場の環境を制御する植物工場施設部１０４と、植物工場内外に配置される各種環境センサ群の環境センサ部１０５と、環境センサ部１０５から環境データを取得し植物育成サーバ１０１に送信したり、植物育成管理サーバ１０２から制御設定値を取得し植物工場施設部１０４を制御したりする植物育成管理クライアント１０２と、植物育成サーバ１０１における施設制御コスト計算に必要となる、気象庁や民間気象予測機関が提供する気象予測データ１０３からなる。
ここで、植物育成管理サーバ１０１および植物管理クライアント１０２は、コンピュータを利用することで実現するものであり、各処理又は手段は、コンピュータのＣＰＵ（Central Processing Unit）が必要なプログラムをメモリに読み込んで実行することにより実現される処理又は手段である。
なお、植物育成管理サーバ１０１と、植物育成管理サーバ１０２と、気象予測データ１０３と、植物工場施設部１０４と環境センサ部１０５とはインターネットなどの通信ネットワークを介して通信可能に接続されている。

図２は、植物育成管理サーバ１０１の構成の一例を示す機能ブロック図である。
図２に示すように、植物育成管理サーバ１０１は、通信部２０１と、気象予測データ１０３から気象データを取得する気象データ取得部２０２と、記憶部２０８のデータを表示したり、栽培目標のデータ入力を受け付ける表示入力端末２１４と、表示入力端末の情報入出力を管理する情報表示処理部２０４と、データベース(DB)への情報入出力を管理するDBデータ入出力部２０５、入力される栽培目標値を用いて植物の育成シミュレーションを実施する育成シミュレーション部２０６(詳細は後述する)と、育成シミュレーション結果および気象予測データを用いて施設制御コストを算出するコスト計算部２０７(詳細は後述する)と、各種情報のデータを格納する記憶部２０８(詳細は後述する)と、植物工場運営者が植物工場の環境センサデータ２１３を閲覧したり、栽培目標データ２１０の設定を行ったりする情報表示入力端末２１４から構成されている。なお、情報入力表示端末２１４は、携帯電話機やスマートフォンなどの携帯情報端末、パソコンなどの固定情報端末である。
利用者による情報入力表示端末２１４の操作は、情報入力表示端末２１４の本体に付属する入力手段であるキーボード、タッチパネル、ボタンやリモコンなど、任意の入力手段を用いて行われる。

ここで、記憶部２０８は、各種情報のデータとして、植物工場毎の栽培目標データおよび栽培目標を実現するための光合成速度を登録する栽培目標データ２０９と、栽培目標を実現する光合成速度の要素となる温度、日射強度、CO２濃度からなる環境設定データ２１０と、気象予測データ２１１と、環境設定データ２１０と気象予測データ２１１の差分より求めるコスト予測データ２１２と、植物工場に設置される各種環境センサデータ２１３とからなる。
また、環境設定データ２１０における光合成速度の要素は、便宜上、温度、日射強度、CO２濃度としているが、光合成はこれら以外の湿度や風速、あるいは培養液の養分組成などによる影響を受けるものであり、該システムは温度、日射強度、CO2のみを用いて実現されるものではない。
また、環境センサデータ２１３においてもセンシング項目を便宜上、温度、日射強度、CO２濃度としているがこれらに限るものではない。

図３は、植物育成管理クライアント１０２の構成の一例を概略的に示す機能ブロック図である。図３に示すように、植物育成管理クライアント１０２は、植物育成管理サーバから環境設定値を受信したり、気象センサデータを送信する通信部３０１と、植物工場のエアコン、CO２噴霧装置などを環境設定値に基づき制御を行う施設制御部３０２と、気象センサより環境情報を取得する環境情報取得部３０３と、DBへの情報入出力を管理するDBデータ入出力部３０４と、各種情報のデータを格納する記憶部３０５とから構成されている。
ここで、記憶部３０５は、各種情報のデータとして、施設制御部３０２が制御を行ううえでの目標値となる環境設定データ３０６と、環境情報取得部３０３が取得した環境センサデータ３０７からなる。

図４は、植物工場施設部１０４の構成の一例を示す機能ブロック図である。図４に示すように、植物工場施設部１０４は、植物工場施設内の温度を制御する温語制御部４０１と、CO２濃度を制御するCO２噴霧装置４０２と、光量を調節する光量制御装置４０３からなる。

図５は、環境センサ部１０５の構成の一例を示す機能ブロック図である。図５に示すように、環境センサ部１０５は、温度センサ５０１と、日射センサ５０２と、CO２センサ５０３からなる。
次に、記憶部２０８が格納する各種情報について、図６〜図１０を参照し説明する。

図６は、栽培目標データ２０９に登録されているデータ構成の一例を示す図である。
図６に示すように、栽培目標データ２０９は、データ番号６０１と施設番号６０２と定植日６０３と目標栽培期間６０４と目標重量６０５と目標光合成速度６０６から構成されている。
データ番号６０１には、情報が登録された順に番号が付与され、登録される。
施設番号６０２には、制御対象とする植物工場施設名が例えば「植物工場A」のように登録される。
定植予定日６０３には、植物工場内で植物が定植される予定日が例えば「２０１３/８/２」のように登録される。
目標栽培期間６０４には、植物が植物工場内で定植されてから何日栽培を行うかという情報が例えば「２０」のように登録される。目標重量６０５には、植物を何ｇになるまで栽培するかという情報が例えば「１００」のように登録される。
目標光合成速度６０６は目標栽培期間６０４と目標重量６０５を基に、生育シミュレーション部にて導出され登録されるもので、例えば「３０」のように登録される。ここで、上記６０２、６０３、６０４、６０５は、表示入力端末２１４により入力されるデータである。

図７は、環境設定データ２１０に登録されているデータ構成の一例を示す図である。
図７に示すように、環境設定データ２１０は、データ番号７０１と、設定群番号７０２と、温度設定値７０３と、日射強度設定値７０４と、CO２濃度設定値７０５とから構成される。
設定環境データ２１０は、栽培目標データ２０９のデータ番号６０１の数だけ作成されるものであり、例えばデータ番号６０１の値が「１」であるとき、環境設定データ２１０の(a)におけるデータ番号７０１に「１」と登録される。
次に設定群番号７０２は、目標光合成速度６０６を実現する温度設定値７０３と日射強度７０４とCO２濃度７０５を一意に識別できるものであり、情報が登録された準に番号が付与される。
温度設定値７０３と日射強度７０４とCO２濃度７０５は、生育シミュレーション部２０６により導出され、登録される値であり、例えばそれぞれ「２０」、「１０：００」、「９００」と登録される。

図８は、気象予測データ２１１に登録されているデータ構成の一例を示す図である。
図８に示すように、気象予測データ２１１は、データ番号８０１と、定植予定日８０２と、栽培終了日８０３と、温度予測８０４と、日射強度予測８０５と、CO２濃度予測８０６とから構成される。
気象予測データ２１１は、栽培目標データ２０９のデータ番号６０１の数だけ作成されるものであり、例えばデータ番号６０１の値が「１」で定植予定日６０３の値が「２０１３/８/２」であるとき、気象予測データ２１１の(a)におけるデータ番号８０１に「１」、定植予定日８０２に「２０１３/８/２」と登録される。
栽培終了日８０３は定植予定日８０２に目標栽培期間６０４を足して得られる日付である。例えば定植予定日８０２の値が「２０１３/８/２」であり、目標栽培期間６０４の値が「２０」であるとき、栽培終了日８０３には「２０１３/８/２２」と登録される。

温度予測８０４と、日射強度予測８０５と、CO２濃度予測８０６は、気象予測データ２１１の定植予定日８０２と栽培終了日８０３の値を気象データ取得部２０２が取得し、この期間で気象予測データ１０３より取得した気象予測データが登録される。例えば、気象予測データ２１１の(a)において、定植予定日８０２の値が「２０１３/８/２」、栽培終了日８０３の値が「２０１３/８/２２」であるとき、「２０１３/８/２」から「２０１３/８/２２」の温度予測値が温度予測８０４、日射強度の予測値が日射強度予測８０５、CO２濃度の予測値がCO２濃度予測８０６に登録される。

図９は、コスト予測データ２１２に登録されているデータ構成の一例を示す図である。
図９に示すように、コスト予測データ２１２は、データ番号９０１と、設定群番号９０２と、温度差分９０３と、日射強度差分９０４と、CO２濃度差分９０５と、電気費用９０６と、CO２費用９０７と、合計費用９０８とから構成される。
コスト予測データ２１２は、栽培目標データ２０９のデータ番号６０１の数だけ作成されるものであり、例えばデータ番号６０１の値が「１」であれば、コスト予測データ２１２の(a)におけるデータ番号９０１に「１」と登録される。
設定群番号９０２は、環境設定データ２１０の設定群番号７０２の数だけ登録されるものであり、例えば設定群番号７０２の値が「１」であれば、設定群番号９０２に「１」と登録される。

温度差分９０３と日射強度差分９０４とCO２濃度差分９０５は、コスト計算部２０７により登録されるものであり、温度差分９０３は、環境設定データ２１０の温度設定値７０３の値から、気象予測データ２１１の温度予想８０４の値を引いた値が登録され、日射強度差分９０４は、環境設定データ２１０の日射強度設定値７０４の値から、気象予測データ２１１の日射強度予想８０５の値を引いた値が登録され、CO２濃度差分９０５は、環境設定データ２１０のCO２濃度設定値７０５の値から、気象予測データ２１１のCO２濃度予想８０６の値を引いた値が登録される。

例えば、環境設定データ２１０の温度設定値７０３の値が「２０」で、気象予測データ２１１の温度予想８０４の値が「３４」のとき、温度差分９０３に「−１４」と登録される。
電気費用９０６と、CO２費用９０７と、合計費用９０８は、コスト計算部２０７により登録されるものであり、電気費用９０６は温度差分９０３の合計値および日射強度差分９０４の合計値より導出され登録され、CO２費用９０７はCO２濃度差分９０５の合計値より導出され登録され、合計費用９０８は電気費用９０６とCO２費用９０７の合計値が登録される。

図１０は、環境センサデータ２１３に登録されているデータ構成の一例を示す図である。
図１０に示すように、環境センサデータ２１３は、施設番号１００１と、日付１００２と、時間１００３と、温度１００４と、日射強度１００５と、CO２濃度１００６から構成されており、環境情報取得部３０３が環境センサ部１０５よりデータを取得し、育成管理クライアント１０２のDBデータ入出力部３０４へ渡し、環境情報として登録される。
環境センサデータ２１３は、植物工場の数だけ作成されるものであり、施設番号１００１には植物工場名が「植物工場A」のように登録される。
日付１００２および時間１００３には環境データを取得した日付と時間がそれぞれ「２０１３/８/１７」、「１０：００」のように登録される。
温度１００４は、環境センサ部１０５の温度センサ５０１が取得した植物工場内の温度データが、例えば「３０．１」のように登録される。日射強度１００５は、環境センサ部１０５の日射センサ５０２が取得した植物工場内の日射データが、例えば「８９０」のように登録される。

CO２濃度１００６は、環境センサ部１０５のCO２センサ５０３が取得した植物工場内のCO２濃度データが、例えば「４００」のように登録される。
なお、環境センサデータ３０７は、通信部３０１および通信部２０１を経由して育成管理サーバ１０１の環境センサデータ２１３にコピーされる。
次に、育成シミュレーション部２０６の処理概要について、図１１と図１３を参照し説明する。

図１１は、生育シミュレーション部２０６が実施するプログラムの処理の概要を示すフローチャートである。
生育シミュレーション部２０６は、栽培目標データ２０９へ接続し、目標栽培期間６０４と目標重量６０５のデータがあるかどうか判定を行い(ステップ１１０１)、該データがある場合、該データを取得し(ステップ１１０２)、ロジスティックモデルにより光合成速度の計算処理を行い(ステップ１１０３)、目標光合成速度６０６に登録する(ステップ１１０４)。

次に、生育シミュレーション部は目標光合成速度６０６を取得し(１１０５)、Farquharモデルによる環境設定値の計算処理を実施し(ステップ１１０６)、環境設定値を環境設定データ２１０に登録する(ステップ１１０７)。
ここで、ステップ１１０３における入出力データの説明を図１３の(a)に記載する。またステップ１１０６における入出力データの説明を図１３の(b)に記載する。
また、ステップ１１０６における「J(I)」は日射強度を変数とする関数を、「f(T)」は温度を変数とする関数を意味する。

次に、コスト計算部２０７の処理概要について、図１２を参照し説明する。
図１２は、コスト計算部を実施するプログラムの処理の概要を示すフローチャートである。コスト計算部２０７は、環境設定データ２１０へ接続し、温度設定値７０３と日射強度設定値７０４とCO２設定値７０５を取得し(ステップ１２０１)、気象予測データ２１１へ接続し、データ番号８０１に紐づいた温度予測８０４と、日射強度予測８０５と、CO２濃度予測８０６を取得し(ステップ１２０２)、設定値と気象予測値を基に県境制御コストの計算処理を行い(ステップ１２０３)、コスト予測データ２１２の電気費用９０６とCO２費用９０７と合計費用９０８へ値を登録する(ステップ１２０４)。

コスト予測データ２１２は、育成管理サーバ１０１の表示入力端末２１４へ出力され、いずれかの設定群番号９０２が選択される。選択されたデータは通信部２０１から通信部３０１を経由して、育成管理クライアント１０２の環境設定データ３０６にコピーされる。
育成管理クライアント１０２の施設制御部３０２では環境設定データ３０６の情報をDBデータ入出力部３０４を経由して取得し、植物工場施設部１０４の各制御装置へ環境設定データを送付する。

例えば、図９のコスト予測データ２１２の(a)における設定群番号９０２の「１」が表示入力端末２１４で選択された場合、施設制御部３０２は、植物工場施設部１０４の温度制御装置４０１へ設定値「２０」を送付し、温度制御装置は設定値を実現するよう、自律的に動作を行う。
以上により、入力される栽培期間と目標重量に基づき、生育およびコストシミュレーションを実施することで、環境制御コストを把握した上で、栽培を計画的に実施することができる。

１０１植物育成管理サーバ
１０２植物育成管理クライアント
１０３気象予測データ
１０４植物工場施設部
１０５環境センサ部
１０６植物工場
２０６生育シミュレーション部
２０７コスト計算部
２０８記憶部
２０９栽培目標データ
２１０栽培設定データ
２１１気象予測データ
２１２コスト予測データ
２１３環境センサデータ

Claims

利用者の情報入力表示端末と通信ネットワークにより接続可能な植物育成管理サーバと、前記植物育成管理サーバと植物工場施設環境制御装置と環境センサと通信ネットワークにより接続可能な植物育成クライアントとを備えた植物成長および運用コストシミュレーションに基づいた植物工場環境制御システムであって、
前記植物育成管理サーバが、
前記情報入力表示端末から、植物工場毎の目標栽培期間と目標重量を受信し、該目標栽培期間と目標重量を栽培目標データとして登録する栽培目標データ記憶手段と、
この栽培目標データ記憶手段に記憶された前記栽培目標データを参照し、目標とする光合成速度を導出し、前記栽培目標データ記憶手段に植物工場毎に紐付けて登録する手段と、
前記栽培目標データ記憶手段に記憶された前記光合成速度を参照し、環境設定データを導出し、環境設定データとして登録する環境設定データ記憶手段を備えることを特徴とする植物工場環境制御システム。
前記植物育成管理サーバが、前記栽培目標データ記憶手段に記憶された前記栽培目標データを参照し、植物栽培期間の気象予測データを通信ネットワーク経由で取得し、気象予測データとして登録する気象予測データ記憶手段と、
この気象予測データ記憶手段に記憶された前記気象予測データと、前記環境設定データ記憶手段に記憶された前記環境設定データを参照し、植物工場の環境制御コストを導出し、コスト予測データとして登録するコスト予測データ記憶手段と、
取得した前記コスト予測データを前記情報入力表示端末に表示する表示手段とをさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の植物工場環境制御システム。
前記植物育成管理サーバが、前記情報入力表示端末に表示された前記コスト予測データのうちいずれかの選択に対し、対応する前記環境設定データ記憶手段に記憶された前記環境設定データを、前記育成管理クライアントへ送信する手段をさらに備えることを特徴とする請求項２に記載の植物工場環境制御システム。
前記植物育成管理クライアントが、前記植物育成管理サーバより送信される前記環境設定データを受信し、前記植物工場施設環境制御装置へ前記環境設定データを送信する手段をさらに備えることを特徴とする請求項３に記載の植物工場環境制御システム。