KR20240052346A - Optimum control system of plant factory based on digital twin - Google Patents
Optimum control system of plant factory based on digital twin Download PDFInfo
- Publication number
- KR20240052346A KR20240052346A KR1020220132277A KR20220132277A KR20240052346A KR 20240052346 A KR20240052346 A KR 20240052346A KR 1020220132277 A KR1020220132277 A KR 1020220132277A KR 20220132277 A KR20220132277 A KR 20220132277A KR 20240052346 A KR20240052346 A KR 20240052346A
- Authority
- KR
- South Korea
- Prior art keywords
- plant
- plant factory
- target
- factory
- cultivation
- Prior art date
Links
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 claims abstract description 52
- 238000003306 harvesting Methods 0.000 claims abstract description 39
- 238000004088 simulation Methods 0.000 claims abstract description 21
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract 2
- 238000010801 machine learning Methods 0.000 claims description 6
- 238000005070 sampling Methods 0.000 claims description 4
- 230000003698 anagen phase Effects 0.000 claims 1
- 230000012010 growth Effects 0.000 abstract description 12
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 abstract description 5
- 238000013473 artificial intelligence Methods 0.000 abstract 2
- 230000008685 targeting Effects 0.000 abstract 1
- 241000196324 Embryophyta Species 0.000 description 142
- CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N Carbon dioxide Chemical compound O=C=O CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 12
- 229910002092 carbon dioxide Inorganic materials 0.000 description 6
- 239000001569 carbon dioxide Substances 0.000 description 6
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 5
- 238000012423 maintenance Methods 0.000 description 5
- 239000002689 soil Substances 0.000 description 5
- 239000000463 material Substances 0.000 description 4
- 238000009331 sowing Methods 0.000 description 4
- 240000008067 Cucumis sativus Species 0.000 description 3
- 235000009849 Cucumis sativus Nutrition 0.000 description 3
- 241000220223 Fragaria Species 0.000 description 3
- 241000227653 Lycopersicon Species 0.000 description 3
- 235000007688 Lycopersicon esculentum Nutrition 0.000 description 3
- 235000021012 strawberries Nutrition 0.000 description 3
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 2
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- 238000007664 blowing Methods 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 239000000284 extract Substances 0.000 description 1
- 239000001963 growth medium Substances 0.000 description 1
- 230000008635 plant growth Effects 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06Q—INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGY [ICT] SPECIALLY ADAPTED FOR ADMINISTRATIVE, COMMERCIAL, FINANCIAL, MANAGERIAL OR SUPERVISORY PURPOSES; SYSTEMS OR METHODS SPECIALLY ADAPTED FOR ADMINISTRATIVE, COMMERCIAL, FINANCIAL, MANAGERIAL OR SUPERVISORY PURPOSES, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- G06Q50/00—Information and communication technology [ICT] specially adapted for implementation of business processes of specific business sectors, e.g. utilities or tourism
- G06Q50/02—Agriculture; Fishing; Forestry; Mining
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A01—AGRICULTURE; FORESTRY; ANIMAL HUSBANDRY; HUNTING; TRAPPING; FISHING
- A01G—HORTICULTURE; CULTIVATION OF VEGETABLES, FLOWERS, RICE, FRUIT, VINES, HOPS OR SEAWEED; FORESTRY; WATERING
- A01G9/00—Cultivation in receptacles, forcing-frames or greenhouses; Edging for beds, lawn or the like
- A01G9/24—Devices or systems for heating, ventilating, regulating temperature, illuminating, or watering, in greenhouses, forcing-frames, or the like
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
- G06F30/00—Computer-aided design [CAD]
- G06F30/20—Design optimisation, verification or simulation
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06Q—INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGY [ICT] SPECIALLY ADAPTED FOR ADMINISTRATIVE, COMMERCIAL, FINANCIAL, MANAGERIAL OR SUPERVISORY PURPOSES; SYSTEMS OR METHODS SPECIALLY ADAPTED FOR ADMINISTRATIVE, COMMERCIAL, FINANCIAL, MANAGERIAL OR SUPERVISORY PURPOSES, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- G06Q10/00—Administration; Management
- G06Q10/06—Resources, workflows, human or project management; Enterprise or organisation planning; Enterprise or organisation modelling
- G06Q10/063—Operations research, analysis or management
- G06Q10/0631—Resource planning, allocation, distributing or scheduling for enterprises or organisations
- G06Q10/06312—Adjustment or analysis of established resource schedule, e.g. resource or task levelling, or dynamic rescheduling
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06Q—INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGY [ICT] SPECIALLY ADAPTED FOR ADMINISTRATIVE, COMMERCIAL, FINANCIAL, MANAGERIAL OR SUPERVISORY PURPOSES; SYSTEMS OR METHODS SPECIALLY ADAPTED FOR ADMINISTRATIVE, COMMERCIAL, FINANCIAL, MANAGERIAL OR SUPERVISORY PURPOSES, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- G06Q50/00—Information and communication technology [ICT] specially adapted for implementation of business processes of specific business sectors, e.g. utilities or tourism
- G06Q50/10—Services
-
- H—ELECTRICITY
- H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
- H04W—WIRELESS COMMUNICATION NETWORKS
- H04W4/00—Services specially adapted for wireless communication networks; Facilities therefor
- H04W4/30—Services specially adapted for particular environments, situations or purposes
- H04W4/38—Services specially adapted for particular environments, situations or purposes for collecting sensor information
Landscapes
- Business, Economics & Management (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Human Resources & Organizations (AREA)
- Theoretical Computer Science (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Tourism & Hospitality (AREA)
- Strategic Management (AREA)
- Economics (AREA)
- General Business, Economics & Management (AREA)
- Marketing (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Primary Health Care (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Entrepreneurship & Innovation (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Educational Administration (AREA)
- Agronomy & Crop Science (AREA)
- Environmental Sciences (AREA)
- Marine Sciences & Fisheries (AREA)
- Evolutionary Computation (AREA)
- Geometry (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Development Economics (AREA)
- Animal Husbandry (AREA)
- Mining & Mineral Resources (AREA)
- Game Theory and Decision Science (AREA)
- Operations Research (AREA)
- Quality & Reliability (AREA)
- Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
- Signal Processing (AREA)
- Management, Administration, Business Operations System, And Electronic Commerce (AREA)
Abstract
본 발명은 디지털트윈 기반 식물공장 최적 제어 시스템에 관한 것으로, 식물공장의 공간정보와 해당 식물공장에서 대상 식물을 실제 재배한 결과로부터 획득한 식물공장 운용을 위한 빅 데이터에 기반을 두어 인공지능(AI: Artificial Intelligence) 방식으로 식물재배 시뮬레이션이 가능하도록 제작한 식물공장 디지털트윈 모델을 대상으로 실제 식물공장에서 재배할 대상 식물과 그 수확량 및 수확 기간을 목표로 설정하고 시뮬레이션을 수행하여 수확 기간을 파종기와 성장기 및 수확기의 수확 단계로 구별하였을 때 각 수확 단계별로 대상 식물 재배를 위하여 필요한 환경 변수들의 최적 값을 산출하고 산출된 최적 값의 환경 변수에 따라 해당 대상 식물의 재배를 위하여 진행해야 할 작업 계획을 수립하여 실제 식물공장의 제어기로 전송한다.
본 발명에 따라 실제 식물공장에서 최적화된 환경 변수들에 따라 해당 대상 식물의 재배를 위하여 진행해야 할 작업 계획을 수립하여 실제 식물공장의 제어기로 전송하면 대상 식물에 대하여 생육 단계별로 최적 제어 관리가 가능하고, 그 결과로 대상 식물의 수확량과 품질 향상 및 수익성 증대를 최대화할 수 있고, 특히 상기 최적화된 환경 변수들은 대상 식물 재배 시 소비되는 자원을 최소화하도록 산출된 것이므로 식물공장 운용에 필요한 생산비를 최소화할 수 있다.The present invention relates to a digital twin-based plant factory optimal control system, which is based on artificial intelligence (AI) based on big data for plant factory operation obtained from the spatial information of the plant factory and the results of actual cultivation of target plants in the plant factory. : Targeting the plant factory digital twin model created to enable plant cultivation simulation using the Artificial Intelligence method, target plants to be cultivated in the actual plant factory, their yield and harvest period are set as goals, and simulation is performed to determine the harvest period between planting and planting periods. When divided into harvest stages of the growth and harvest stages, the optimal values of the environmental variables required for cultivation of the target plant are calculated for each harvest stage, and the work plan to be carried out for the cultivation of the target plant is developed according to the environmental variables of the calculated optimal values. It is established and transmitted to the controller of the actual plant factory.
According to the present invention, by establishing a work plan to be carried out for cultivation of the target plant according to the environmental variables optimized in the actual plant factory and transmitting it to the controller of the actual plant factory, optimal control and management of the target plant at each stage of growth is possible. As a result, it is possible to maximize the yield and quality improvement and increase in profitability of the target plant. In particular, the optimized environmental variables are calculated to minimize the resources consumed when cultivating the target plant, thereby minimizing the production costs required for plant factory operation. You can.
Description
본 발명은 식물공장 제어 시스템에 관한 것이며, 더욱 상세히는 디지털트윈 기반 식물공장 최적 제어 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a plant factory control system, and more specifically to a digital twin-based plant factory optimal control system.
식물공장은 식물 재배 기술에 사물인터넷(IoT)과 빅 데이터 등을 활용해 시공간의 제약 없이 인공 광원(예컨대, LED)을 사용하는 온실에서의 식물 생육 환경을 컴퓨터나 스마트폰 등으로 원격에서 자동 관리할 수 있어, 생산의 효율성뿐만 아니라 편리성도 높일 수 있다.Plant factories utilize the Internet of Things (IoT) and big data in plant cultivation technology to automatically manage the plant growth environment in greenhouses using artificial light sources (e.g. LED) remotely using computers or smartphones, without limitations of time and space. This can increase not only production efficiency but also convenience.
식물공장은 온도, 습도, 이산화탄소(CO2), 강우량, 광량, 풍향, 풍속, 토양 등의 환경 정보 및 재배 대상 식물의 생육 정보에 대한 데이터를 기반으로 대상 식물의 생육 단계별 정밀한 관리와 예측 등이 가능하여 대상 식물의 수확량과 품질 등을 향상시켜 수익성을 높일 수 있고, 식물공장 운용에 필요한 노동력과 에너지(예컨대, 전기에너지, 열에너지 등)를 효율적으로 관리함으로써 생산비를 절감할 수 있다.The plant factory provides precise management and prediction for each stage of growth of the target plant based on data on environmental information such as temperature, humidity, carbon dioxide (CO 2 ), rainfall, light intensity, wind direction, wind speed, and soil, as well as growth information of the target plant. It is possible to increase profitability by improving the yield and quality of target plants, and to reduce production costs by efficiently managing the labor and energy (e.g., electric energy, heat energy, etc.) required for plant factory operation.
하지만, 기존의 식물공장은 특허문헌1에 게시된 바와 같이, 대상 식물에 대해 생육 통계 및 문헌 정보를 수집하고 수집된 통계와 정보를 바탕으로 식물공장에서의 대상 식물 재배에 필요한 환경 정보 및 대상 식물의 생육 정보를 추출하여 활용하기 때문에 실제 식물공장에서 최적화된 환경 변수들을 적용하지 못하는 단점이 있다.However, as published in Patent Document 1, existing plant factories collect growth statistics and literature information on target plants, and based on the collected statistics and information, provide environmental information and target plants necessary for cultivating target plants in plant factories. Because it extracts and utilizes growth information, it has the disadvantage of not being able to apply optimized environmental variables in actual plant factories.
본 발명은 상기한 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 식물공장의 공간정보와 해당 식물공장에서 대상 식물을 실제 재배한 결과로부터 획득한 식물공장 운용을 위한 빅 데이터에 기반을 두어 기계학습 방식으로 식물재배 시뮬레이션이 가능하도록 제작한 식물공장 디지털트윈 모델로 실제 식물공장에서 재배할 대상 식물과 그 수확량 및 수확 기간을 목표로 설정하고 시뮬레이션을 수행하여 수확 기간을 파종기와 성장기 및 수확기의 수확 단계로 구별하였을 때 각 수확 단계별로 대상 식물 재배를 위하여 필요한 환경 변수들의 최적 값을 산출하고 산출된 최적 값의 환경 변수에 따라 해당 대상 식물의 재배를 위하여 진행해야 할 작업 계획을 수립하여 실제 식물공장의 제어기로 전송하는 디지털트윈 기반 식물공장 최적 제어 시스템을 제공하는 것이다.The present invention is to solve the above-described conventional problems, and the purpose of the present invention is to use big data for plant factory operation obtained from the spatial information of the plant factory and the results of actual cultivation of target plants in the plant factory. This is a plant factory digital twin model created to enable plant cultivation simulation using a machine learning method. Target plants to be cultivated in an actual plant factory, their yield and harvest period are set as targets, and simulation is performed to adjust the harvest period to the sowing, growing and harvesting periods. When divided into harvest stages, the optimal values of the environmental variables required for cultivation of the target plant are calculated for each harvest stage, and a work plan to be carried out for the cultivation of the target plant is established according to the environmental variables of the calculated optimal value, so that the actual plant can be grown. It provides a digital twin-based optimal control system for plant factories that is transmitted to the factory controller.
상기와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 디지털트윈 기반 식물공장 최적 제어 시스템은, 온실에서 식물 재배를 위하여 제어할 필요가 있는 물리량을 읽는 센서와 상기 물리량을 변화시키는 구동기 및 상기 센서와 상기 구동기의 작동을 제어하는 제어기를 포함하는 식물공장; 및 상기 식물공장의 공간정보와 해당 식물공장에서 대상 식물을 실제 재배한 결과로부터 획득한 식물공장 운용을 위한 빅 데이터에 기반을 두어 기계학습 방식으로 식물재배 시뮬레이션이 가능하도록 제작한 식물공장 디지털트윈 모델로 실제 식물공장에서 재배할 대상 식물과 그 수확량 및 수확 기간을 목표로 설정하고 시뮬레이션을 수행하여 수확 기간을 파종기와 성장기 및 수확기의 수확 단계로 구별하였을 때 각 수확 단계별로 대상 식물 재배를 위하여 필요한 환경 변수들의 최적 값을 산출하고 산출된 최적 값의 환경 변수에 따라 해당 대상 식물의 재배를 위하여 진행해야 할 작업 계획을 수립하여 실제 식물공장의 제어기로 전송하는 최적화기;로 구성되는 것을 특징으로 한다.In order to achieve the purpose of the present invention as described above, the digital twin-based plant factory optimal control system according to the present invention includes a sensor that reads the physical quantity that needs to be controlled for plant cultivation in a greenhouse, a driver that changes the physical quantity, and the A plant factory including a sensor and a controller that controls the operation of the actuator; And a plant factory digital twin model created to enable plant cultivation simulation using a machine learning method based on big data for plant factory operation obtained from the spatial information of the plant factory and the results of actual cultivation of target plants in the plant factory. When the target plants to be cultivated in an actual plant factory, their yield, and harvest period are set as goals and a simulation is performed and the harvest period is divided into the sowing, growth, and harvest stages, the environment required for cultivating the target plants at each harvest stage is It is characterized by being composed of an optimizer that calculates the optimal values of variables, establishes a work plan to be carried out for cultivation of the target plant according to the environmental variables of the calculated optimal values, and transmits it to the controller of the actual plant factory.
본 발명에 따른 디지털트윈 기반 식물공장 최적 제어 시스템에 있어서, 상기 최적화기는 상기 작업 계획에 따라 식물공장의 제어기가 센서와 구동기의 작동을 제어한 결과로부터 정해진 샘플링 단위로 획득한 센서의 물리량 정보와 센서 상태 정보, 구동기 상태 정보 및 제어기 상태 정보를 식물공장 운용을 위한 빅 데이터에 추가하는 것을 특징으로 한다.In the digital twin-based plant factory optimal control system according to the present invention, the optimizer obtains the physical quantity information of the sensor and the sensor in a determined sampling unit from the results of the plant factory controller controlling the operation of the sensor and the actuator according to the work plan. It is characterized by adding status information, driver status information, and controller status information to big data for plant factory operation.
본 발명에 따른 디지털트윈 기반 식물공장 최적 제어 시스템에 있어서, 상기 최적화기는 식물공장 운용을 위한 빅 데이터가 변경되면 대상 식물의 수확 단계별로 산출된 최적 값의 환경 변수에 따라 시뮬레이션을 수행하여 새롭게 최적 값의 환경 변수를 산출하는 것을 특징으로 한다.In the digital twin-based plant factory optimal control system according to the present invention, when the big data for plant factory operation changes, the optimizer performs simulation according to the environmental variables of the optimal values calculated for each harvest stage of the target plant to obtain a new optimal value. It is characterized by calculating environmental variables.
본 발명에 따른 디지털트윈 기반 식물공장 최적 제어 시스템에 있어서, 상기 환경 변수는 대상 식물 재배 시 수확량과 수확 시간에 영향을 미치는 식물공장 내외부의 환경요소를 제어하기 위한 변수인 것을 특징으로 한다.In the digital twin-based plant factory optimal control system according to the present invention, the environmental variable is characterized as a variable for controlling environmental factors inside and outside the plant factory that affect the yield and harvest time when cultivating the target plant.
본 발명에 따른 디지털트윈 기반 식물공장 최적 제어 시스템에 있어서, 상기 환경 변수는 대상 식물 재배 시 소비되는 자원을 최소화하도록 산출되는 것을 특징으로 한다.In the digital twin-based plant factory optimal control system according to the present invention, the environmental variables are calculated to minimize resources consumed when cultivating target plants.
본 발명에 따른 디지털트윈 기반 식물공장 최적 제어 시스템에 있어서, 상기 최적화기는 대상 식물의 수확 단계별로 산출된 최적 값의 환경 변수에 따라 해당 대상 식물의 재배를 위한 제어 장소와 제어 시간에 따라 해당 환경 변수의 최적 값을 적용하는 작업 계획을 수립하여 상기 제어기로 전송하는 것을 특징으로 한다.In the digital twin-based plant factory optimal control system according to the present invention, the optimizer determines the environmental variables according to the control location and control time for cultivation of the target plant according to the environmental variables of optimal values calculated for each harvest stage of the target plant. A work plan that applies the optimal value of is established and transmitted to the controller.
본 발명에 따라 실제 식물공장에서 최적화된 환경 변수들에 따라 해당 대상 식물의 재배를 위하여 진행해야 할 작업 계획을 수립하여 실제 식물공장의 제어기로 전송하면 대상 식물에 대하여 생육 단계별로 최적 제어 관리가 가능하고, 그 결과로 대상 식물의 수확량과 품질 향상 및 수익성 증대를 최대화할 수 있다.According to the present invention, by establishing a work plan to be carried out for the cultivation of the target plant according to the environmental variables optimized in the actual plant factory and transmitting it to the controller of the actual plant factory, optimal control and management of the target plant at each stage of growth is possible. And as a result, it is possible to maximize the yield and quality improvement of target plants and increase profitability.
특히, 상기 최적화된 환경 변수들은 대상 식물 재배 시 소비되는 자원<예컨대, 센서와 구동기 및 제어기의 유지와 관리, 교체 등에 필요한 인적자원과 물적 자원 혹은 식물공장 내외부의 식물 재배 환경 조성에 필요한 에너지(예컨대, 전기에너지, 열에너지 등)의 공급에 필요한 인적자원과 물적 자원>을 최소화하도록 산출된 것이므로 식물공장 운용에 필요한 생산비를 최소화할 수 있다.In particular, the optimized environmental variables include the resources consumed when cultivating the target plant (e.g., human and material resources required for maintenance, management, and replacement of sensors, actuators, and controllers, or the energy required to create a plant cultivation environment inside and outside the plant factory (e.g., , electric energy, heat energy, etc.), it is calculated to minimize the human and material resources required for the supply, so the production costs required for plant factory operation can be minimized.
도 1은 본 발명에 따른 디지털트윈 기반 식물공장 최적 제어 시스템의 구성을 나타낸 실시예.
도 2는 시뮬레이션 기반 제어기의 작업 계획을 나타낸 실시예.Figure 1 is an embodiment showing the configuration of a digital twin-based plant factory optimal control system according to the present invention.
Figure 2 is an embodiment showing a work plan of a simulation-based controller.
이하, 본 발명의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 더욱 상세하게 설명한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in more detail with reference to the attached drawings.
이하에서 설명하는 본 발명에 따른 디지털트윈 기반 식물공장 최적 제어 시스템은 하기의 실시예에 한정되지 않고, 청구범위에서 청구하는 기술의 요지를 벗어남이 없이 해당 기술분야에 대하여 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 변경하여 실시할 수 있는 범위까지 그 기술적 정신이 있다.The digital twin-based plant factory optimal control system according to the present invention described below is not limited to the following examples, and can be used by anyone with ordinary knowledge in the relevant technical field without departing from the gist of the technology claimed in the claims. The technical spirit exists to the extent that anyone can change and implement it.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 디지털트윈 기반 식물공장 최적 제어 시스템은 식물공장(100) 및 최적화기(200)를 포함하여 구성된다.Referring to FIG. 1, the digital twin-based plant factory optimal control system according to the present invention includes a
상기 식물공장(100)은 온실에서 식물 재배를 위하여 제어할 필요가 있는 물리량을 읽는 센서(110)와 상기 물리량을 변화시키는 구동기(120) 및 상기 센서(110)와 상기 구동기(120)의 작동을 제어하는 제어기(130)를 포함한다.The
상기 센서(110)는 온도, 습도, 이산화탄소(CO2), 강우량, 광량, 풍향, 풍속, 토양(예컨대, 토양의 산성도 등) 등의 환경요소를 나타내는 물리량을 읽어 아날로그/디지털 변환을 통해 디지털신호로 출력하며, 온도센서, 습도센서, 이산화탄소 센서, 강우량 센서, 광센서, 풍향 센서, 풍속센서, 토양 산성도 센서 등이 사용될 수 있다.The
상기 구동기(120)는 상기한 환경요소 제어를 위한 장치로서, 예컨대 히터, 쿨러, 송풍팬, 배기팬, 급수기, 배양액 공급기 등이 사용될 수 있다.The
상기 제어기(130)는 상기 센서(110)와 구동기(120)를 작동시키고 상기 센서(110)와 구동기(120)를 작동시키는 동안 상기 센서(110)의 물리량 정보와 센서 상태 정보, 구동기 상태 정보 및 제어기 상태 정보를 획득하여 내부 메모리에 기록한다.The
상기 최적화기(200)는 상기 식물공장(100)의 공간정보와 해당 식물공장(100)에서 대상 식물을 실제 재배한 결과로부터 획득한 식물공장(100) 운용을 위한 빅 데이터에 기반을 두어 기계학습 방식으로 식물재배 시뮬레이션이 가능하도록 제작한 식물공장 디지털트윈 모델로 실제 식물공장(100)에서 재배할 대상 식물과 그 수확량 및 수확 기간을 목표로 설정하고 시뮬레이션을 수행한다.The
상기 최적화기(200)는 시뮬레이션을 수행하여 수확 기간을 파종기와 성장기 및 수확기의 수확 단계로 구별하였을 때 각 수확 단계별로 대상 식물 재배를 위하여 필요한 환경 변수들의 최적 값을 산출하고 산출된 최적 값의 환경 변수에 따라 해당 대상 식물의 재배를 위하여 진행해야 할 작업 계획을 수립하여 실제 식물공장(100)의 제어기(130)로 전송한다.The
바람직하게는, 상기 최적화기(200)는 대상 식물의 수확 단계별로 산출된 최적 값의 환경 변수에 따라 해당 대상 식물의 재배를 위한 제어 장소와 제어 시간에 따라 해당 환경 변수의 최적 값을 적용하는 작업 계획을 수립하여 상기 제어기(130)로 전송한다.Preferably, the
상기 최적화기(200)는 식물공장(100)의 내부나 그 근처에 설치되거나, 해당 식물공장(100)을 원격에서 최적 제어 관리하는 클라우드에 탑재되어 사용될 수 있다.The
상기 최적화기(200)가 식물공장(100)의 내부나 그 근처에 설치되는 경우, 해당 식물공장(100)의 내부나 그 근처의 무선 통신망 혹은 유선 통신망을 통해 해당 식물공장(100)의 제어기(130)와 통신할 수 있다.When the
상기 최적화기(200)가 식물공장(100)을 원격에서 최적 제어 관리하는 클라우드에 탑재에 탑재되는 경우, 클라우드 통신망을 통해 식물공장(100)의 제어기(130)와 통신할 수 있다.When the
상기 최적화기(200)가 시뮬레이션을 위해 사용하는 식물공장 디지털트윈 모델은 상기 식물공장(100)의 공간정보와 해당 식물공장(100)에서 대상 식물을 실제 재배한 결과로부터 획득한 식물공장(100) 운용을 위한 빅 데이터에 기반을 두어 기계학습 방식으로 식물재배 시뮬레이션이 가능하도록 제작한 것이다.The plant factory digital twin model used by the
상기 식물공장 디지털트윈 모델은 디지털트윈(Digital Twin) 기술을 이용하여 제작한 것으로, 컴퓨터 프로세서와 메모리부(혹은 기억장치), 입력 장치, 출력 장치 등을 포함하고 컴퓨팅 장치에 탑재되는 시뮬레이션 모델(혹은 프로그램)로 이해하는 것이 바람직하며, 상기 컴퓨팅 장치는 외부 장치와의 유선 통신 혹은 무선 통신이 가능한 것이 바람직하다.The plant factory digital twin model was produced using Digital Twin technology, and includes a computer processor, memory unit (or memory device), input device, output device, etc., and is a simulation model (or program), and the computing device is preferably capable of wired or wireless communication with an external device.
상기한 디지털트윈(Digital Twin) 기술은 실시간으로 역학적 해석이 가능한 실제 물리 모델이나 실제 센서 정보 모델 등과 동일성 및 일관성을 유지하는 디지털트윈 모델을 이용하여 시뮬레이션을 수행함으로써 실제 물리 모델이나 실제 센서 정보 모델 등의 미래 현상을 예측하여 실제 물리 모델이나 실제 센서 정보 모델 등을 제어할 수 있는 기술로 알려져 있다.The above-mentioned Digital Twin technology performs simulations using a digital twin model that maintains identity and consistency with an actual physical model capable of real-time dynamic analysis or an actual sensor information model, etc. It is known as a technology that can predict future phenomena and control actual physical models or actual sensor information models.
상기 최적화기(200)은 상기 최적화기(130)의 작업 계획에 따라 식물공장(100)의 제어기(130)가 센서(110)와 구동기(120)의 작동을 제어한 결과로부터 정해진 샘플링 단위(예컨대, 1분, 5분, 30분, 1시간 등)로 획득한 센서(110)의 물리량 정보와 센서 상태 정보, 구동기 상태 정보 및 제어기 상태 정보를 식물공장 운용을 위한 빅 데이터에 추가한다.The
상기 최적화기(200)는 상기 작업 계획에 따라 식물공장(100)의 제어기(130)가 센서(110)와 구동기(120)의 작동을 제어한 결과로부터 정해진 단위(예컨대, 1분, 5분, 30분, 1시간 등)로 획득한 센서(110)의 물리량 정보와 센서 상태 정보, 구동기 상태 정보 및 제어기 상태 정보를 식물공장(100) 운용을 위한 빅 데이터에 추가한다.The
상기 최적화기(200)는 식물공장(100) 운용을 위한 빅 데이터가 변경되면 대상 식물의 수확 단계별로 산출된 최적 값의 환경 변수에 따라 시뮬레이션을 수행하여 새롭게 최적 값의 환경 변수를 산출한다.When the big data for the operation of the
상기 환경 변수는 대상 식물 재배 시 수확량과 수확 시간에 영향을 미치는 식물공장(100) 내외부의 환경요소(예컨대, 온도, 습도, 이산화탄소(CO2), 강우량, 광량, 풍향, 풍속, 토양 등)를 제어하기 위한 변수인 것이 바람직하다.The environmental variables include environmental factors inside and outside the plant factory 100 (e.g., temperature, humidity, carbon dioxide (CO 2 ), rainfall, light amount, wind direction, wind speed, soil, etc.) that affect the yield and harvest time when cultivating the target plant. It is desirable that it is a variable to control.
상기 환경 변수는 대상 식물 재배 시 소비되는 자원을 최소화하도록 산출되는 것이 바람직하다.The environmental variables are preferably calculated to minimize the resources consumed when cultivating the target plant.
상기 대상 식물 재배 시 소비되는 자원은 예컨대, 상기 센서(110)와 구동기(120) 및 제어기(130)의 유지와 관리, 교체 등에 필요한 인적자원(예컨대, 노동력)과 물적 자원(예컨대, 유지와 관리, 교체에 필요한 부품, 장비 등)이거나, 상기 식물공장(100) 내외부의 식물 재배 환경 조성에 필요한 에너지(예컨대, 전기에너지, 열에너지 등)의 공급에 필요한 인적자원(예컨대, 노동력)과 물적 자원(예컨대, 에너지 공급에 필요한 부품, 장비 등) 등이다.Resources consumed when cultivating the target plant include, for example, human resources (e.g., labor) and physical resources (e.g., maintenance and management) required for maintenance, management, and replacement of the
상기와 같이 구성되는 본 발명에 따른 디지털트윈 기반 식물공장 최적 제어 시스템은 다음과 같이 작동한다.The digital twin-based plant factory optimal control system according to the present invention configured as described above operates as follows.
상기 최적화기(200)는 상기한 바와 같이, 상기 식물공장(100)의 내부나 그 근처에 설치되거나, 상기 식물공장(100)을 원격에서 최적 제어 관리하는 클라우드에 탑재될 수 있다.As described above, the
먼저, 상기 최적화기(200)는 실제 식물공장(100)에서 재배할 대상 식물과 그 수확량 및 수확 기간을 목표로 설정하고 기계학습 방식으로 식물재배 시뮬레이션이 가능하도록 제작한 식물공장 디지털트윈 모델로 시뮬레이션을 수행하여 대상 식물의 수확 기간을 파종기와 성장기 및 수확기의 수확 단계로 구별하였을 때 각 수확 단계별로 대상 식물 재배를 위하여 필요한 환경 변수들의 최적 값을 산출한다.First, the
상기와 같이 대상 식물 재배를 위하여 필요한 환경 변수들의 최적 값이 산출되면, 이어서 상기 최적화기(130)는 대상 식물의 수확 단계별로 산출된 최적 값의 환경 변수에 따라 해당 대상 식물의 재배를 위하여 진행해야 할 작업 계획을 수립하여 상기 제어기(130)로 전송한다.Once the optimal values of the environmental variables required for cultivation of the target plant are calculated as described above, the
본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 상기 최적화기(200)는 대상 식물의 수확 단계별로 산출된 최적 값의 환경 변수에 따라 해당 대상 식물의 재배를 위한 제어 장소와 제어 시간에 따라 해당 환경 변수의 최적 값을 적용하는 작업 계획을 수립하여 상기 제어기(130)로 전송한다.In a preferred embodiment of the present invention, the
예컨대, 도 2에 나타낸 바와 같이, 상기 최적화기(200)는 해당 식물공장(100)에 포함되어 있는 온실1에서 재배 중인 토마토의 성장기에 1일 중 야간에는 10℃의 온도로 토마토를 재배하고 주간에는 25℃의 온도로 토마토를 재배하는 작업 계획을 수립하여 상기 제어기(130)로 전송할 수 있다.For example, as shown in FIG. 2, the
또한, 도 2에 나타낸 바와 같이, 상기 최적화기(200)는 해당 식물공장(100)에 포함되어 있는 온실2에서 재배 중인 오이의 성장기에 1일 중 야간에는 50%의 습도로 오이를 재배하고 주간에는 90%의 습도로 오이를 재배하는 작업 계획을 수립하여 상기 제어기(130)로 전송할 수 있다.In addition, as shown in FIG. 2, the
또한, 도 2에 나타낸 바와 같이, 상기 최적화기(200)는 해당 식물공장(100)에 포함되어 있는 온실3에서 재배 중인 딸기의 성장기에 1일 중 야간에는 1000ppm의 이산화탄소(CO2) 농도로 딸기를 재배하고 주간에는 2000ppm의 이산화탄소(CO2) 농도로 딸기를 재배하는 작업 계획을 수립하여 상기 제어기(130)로 전송할 수 있다.In addition, as shown in FIG. 2, the
상기와 같은 최적화기(120)의 작업 계획이 식물공장(100)의 제어기(130)로 전송되면, 해당 식물공장(100)의 제어기(130)가 센서(110)와 구동기(120)의 작동을 제어하여 대상 식물의 수확 단계별로 산출된 최적 값의 환경 변수에 따라 상기 최적화기(130)가 수립한 작업 계획을 수행하여 대상 식물을 재배한다.When the work plan of the
한편, 상기 최적화기(200)는 상기 최적화기(130)의 작업 계획에 따라 식물공장(100)의 제어기(130)가 센서(110)와 구동기(120)의 작동을 제어한 결과로부터 정해진 샘플링 단위(예컨대, 1분, 5분, 30분, 1시간 등)로 획득한 센서(110)의 물리량 정보와 센서 상태 정보, 구동기 상태 정보 및 제어기 상태 정보를 식물공장(100) 운용을 위한 빅 데이터에 추가한다.Meanwhile, the
이처럼, 상기 최적화기(200)는 식물공장(100) 운용을 위한 빅 데이터가 변경되면, 대상 식물의 수확 단계별로 산출된 최적 값의 환경 변수에 따라 시뮬레이션을 수행하여 새롭게 최적 값의 환경 변수를 산출한다.In this way, when the big data for operating the
또한, 상기와 같이 새롭게 최적의 환경 변수가 산출되면, 상기 최적화기(200)는 새롭게 산출된 최적 값의 환경 변수에 따라 해당 대상 식물의 재배를 위한 제어 장소와 제어 시간에 따라 해당 환경 변수의 최적 값을 적용하는 작업 계획을 새롭게 수립하여 상기 제어기(130)로 전송한다.In addition, when a new optimal environmental variable is calculated as described above, the
상기 식물공장(100)이 작동하는 동안 상기 최적화기(200)는 최적 값의 환경 변수 산출 동작과 상기 환경 변수의 최적 값을 적용하는 작업 계획 수립 및 전송 동작을 반복적으로 수행한다.While the
이처럼, 본 발명의 실시예에 따라 실제 식물공장(100)에서 최적화된 환경 변수들에 따라 해당 대상 식물의 재배를 위하여 진행해야 할 작업 계획을 수립하여 실제 식물공장(100)의 제어기(130)로 전송하면 대상 식물에 대하여 생육 단계별로 최적 제어 관리가 가능하고, 그 결과로 대상 식물의 수확량과 품질 향상 및 수익성 증대를 최대화할 수 있다.In this way, according to an embodiment of the present invention, a work plan to be carried out for cultivation of the target plant according to the optimized environmental variables in the
특히, 상기 최적화된 환경 변수들은 대상 식물 재배 시 소비되는 자원, 예컨대 상기한 센서(110)와 구동기(120) 및 제어기(130)의 유지와 관리, 교체 등에 필요한 인적자원(예컨대, 노동력)과 물적 자원(예컨대, 유지와 관리, 교체에 필요한 부품, 장비 등) 혹은 식물공장(100) 내외부의 식물 재배 환경 조성에 필요한 에너지(예컨대, 전기에너지, 열에너지 등)의 공급에 필요한 인적자원(예컨대, 노동력)과 물적 자원(예컨대, 에너지 공급에 필요한 부품, 장비 등)을 최소화하도록 산출된 것이므로 식물공장(100) 운용에 필요한 생산비를 최소화할 수 있다.In particular, the optimized environmental variables include resources consumed when cultivating target plants, such as human resources (e.g., labor) and physical resources required for maintenance, management, and replacement of the
100: 식물공장
110: 센서
120: 구동기
130: 제어기
200: 최적화기100: plant factory 110: sensor
120: driver 130: controller
200: Optimizer
Claims (6)
상기 식물공장(100)의 공간정보와 해당 식물공장(100)에서 대상 식물을 실제 재배한 결과로부터 획득한 식물공장(100) 운용을 위한 빅 데이터에 기반을 두어 기계학습 방식으로 식물재배 시뮬레이션이 가능하도록 제작한 식물공장 디지털트윈 모델로 실제 식물공장(100)에서 재배할 대상 식물과 그 수확량 및 수확 기간을 목표로 설정하고 시뮬레이션을 수행하여 수확 기간을 파종기와 성장기 및 수확기의 수확 단계로 구별하였을 때 각 수확 단계별로 대상 식물 재배를 위하여 필요한 환경 변수들의 최적 값을 산출하고 산출된 최적 값의 환경 변수에 따라 해당 대상 식물의 재배를 위하여 진행해야 할 작업 계획을 수립하여 실제 식물공장(100)의 제어기(130)로 전송하는 최적화기(200);
로 구성되는 것을 특징으로 하는 디지털트윈 기반 식물공장 최적 제어 시스템.A sensor 110 that reads a physical quantity that needs to be controlled for plant cultivation in a greenhouse, a driver 120 that changes the physical quantity, and a controller 130 that controls the operation of the sensor 110 and the driver 120. Plant factory including (100); and
Plant cultivation simulation is possible using a machine learning method based on the spatial information of the plant factory 100 and big data for the operation of the plant factory 100 obtained from the results of actual cultivation of target plants in the plant factory 100. When the target plants to be cultivated in the actual plant factory (100) and their yield and harvest period were set as goals and simulations were performed using the plant factory digital twin model created to distinguish the harvest period into the planting phase, growth phase, and harvest phase. The controller of the actual plant factory 100 calculates the optimal values of the environmental variables necessary for cultivating the target plant at each harvest stage and establishes a work plan to proceed with the cultivation of the target plant according to the environmental variables of the calculated optimal values. Optimizer 200 sending to 130;
A digital twin-based plant factory optimal control system characterized by consisting of.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
KR1020220132277A KR20240052346A (en) | 2022-10-14 | 2022-10-14 | Optimum control system of plant factory based on digital twin |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
KR1020220132277A KR20240052346A (en) | 2022-10-14 | 2022-10-14 | Optimum control system of plant factory based on digital twin |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
KR20240052346A true KR20240052346A (en) | 2024-04-23 |
Family
ID=90881213
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
KR1020220132277A KR20240052346A (en) | 2022-10-14 | 2022-10-14 | Optimum control system of plant factory based on digital twin |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
KR (1) | KR20240052346A (en) |
Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR20180003791A (en) | 2016-07-01 | 2018-01-10 | 서강대학교산학협력단 | Automatic control apparatus and method for plant factory |
-
2022
- 2022-10-14 KR KR1020220132277A patent/KR20240052346A/en unknown
Patent Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR20180003791A (en) | 2016-07-01 | 2018-01-10 | 서강대학교산학협력단 | Automatic control apparatus and method for plant factory |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CN108781926B (en) | Greenhouse irrigation system and method based on neural network prediction | |
CN104656617A (en) | System and method for regulating and controlling greenhouse environment based on Internet of Things and cloud computing technology | |
CN102736596A (en) | Multi-scale greenhouse environment control system based on crop information fusion | |
KR101516732B1 (en) | Control system and method for automation of plant-curture factory | |
Pala et al. | Aeroponic greenhouse as an autonomous system using intelligent space for agriculture robotics | |
CN103134551A (en) | System of facility vegetable farmland environmental monitoring and standardized production based on internet of things | |
Challa | Crop growth models for greenhouse climate control. | |
CN104346913A (en) | Remote tender branch cutting control system | |
Challa et al. | Greenhouse climate control in the nineties | |
KR20240052346A (en) | Optimum control system of plant factory based on digital twin | |
Negrete | Mechatronics in Mexican agriculture current status and perspectives | |
KR102377963B1 (en) | System and method for managing raising seedling area | |
Gao et al. | Application of Artificial Intelligence System Design Based on Genetic Algorithm In Horticultural Cultivation | |
Azimi et al. | IOT monitoring in NFT hydroponic system using blynk-an android platform | |
CN204168726U (en) | Automation plant cultivation device | |
CN110135403A (en) | Houseplant cultural method, device, system, equipment and readable storage medium storing program for executing | |
AU2021104408A4 (en) | Method for automating Smart Green House using IoT | |
Kasaei et al. | Design and development a control and monitoring system for greenhouse conditions based-on multi agent system | |
Calzita et al. | Intelligent Aeroponic System for Real-Time Control and Monitoring of Lactuca Sativa Production | |
NAGASE et al. | Plant factory solution with instrumentation and control technology | |
CN109857178B (en) | Greenhouse intelligent management system based on big data | |
TW201424576A (en) | Remote monitoring and control system for automatic detection of crop cultivation environment data | |
Cong et al. | Automated Hydroponic System for Indoor Plant Growth in Urban Area | |
CN111736492B (en) | Greenhouse automatic control method and system based on complex event processing | |
Chen et al. | Intelligent strawberry field management and control system |