(57)【要約】【課題】閉鎖型植物工場に置いて、作付けによる収益が最大となる環境制御パラメータを算出し、植物工場の収益を増大させるシステムを提供する。【解決手段】  作物にとり、成長が最も促進される環境は作物毎に異なる。作物生産による収益は、１）植物工場の立地条件、２）植物工場の規模、３）作付けを行ってから、収穫するまでの期間、４）販売単価、５）環境制御を行うための電気、炭酸ガス、肥料等の購入費用、５）その他、販売するための費用等、に依存する。このため、経験の少ない人は、植物工場の各種制御パラメータを適切に設定することはできない。また、各種制御パラメータを経験的に設定しても、それが、収益を高めるために最適であるとは限らない。本発明は、環境パラメータの変更に伴う炭酸ガスの消費量の測定データを分析し、１）炭酸ガスの消費量と成長速度との関係、２）成長速度と、生産額、生産コスト、販売価格との関係を導き、収益が最大となる各種環境パラメータの値を簡単に推定する方法を示すものである。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
環境制御を行うための機器と、環境制御を行うために必要とされる各種センサー、及び、センサーのデータを収録し、解析するための演算手段とを備えた該環境制御された部屋内で、作物を栽培することによる収益が最大となるデータ解析システムを有することを特徴とする閉鎖型植物工場
【請求項２】
前記［請求項１］に記載された閉鎖型植物工場で、炭酸ガスの消費量を測定し、作物の植え付けによる収益が最大となる環境パラメータを算出する機能を有することを特徴とする閉鎖型植物工場。
【請求項３】
前記［請求項１］、［請求項２］に記載された閉鎖型植物工場で、環境パラメータを経験的に与えた場合と、経験値から変化させた場合の単位時間当たりの炭酸ガスの消費量の変化を見積もり、この値から、作物の生産量の変化を算出することを特徴とする解析システム
【請求項４】
［請求項１］に記載された閉鎖型植物工場で、空気が外部に流出することを考慮したモデルを用いて炭酸ガスの消費量を推定することを特徴とする解析システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は閉鎖型植物工場の収益が最大となる環境をつくるための環境設定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】  閉鎖型植物工場では、炭酸ガスの濃度、温度、湿度、光の強さ、風速、培養液の濃度等の値（以下、環境パラメータと呼ぶ）を人工的に制御し、植物の栽培を行っている。例えば、光の強さを強くすれば、植物の生育は強さに比例して促進されるが、光の強さがある一定の閾値を超えると、光強度が増加しても、食物の成長する割合はそれほど増えない。一方、光強度を増加させると電気の使用料は増加し、電気代が増加する。ハウス内の温度、湿度、炭酸ガスの濃度等の制御も同様であり、これらの環境パラメータを適切に設定することができれば、生産が促進され、収益が上がる。【０００３】  植物の生育が最大となる環境パラメータの値は、植物の種類毎に変わる。生産コストは、植物工場の大きさ、植物工場で生産される作物の種類で変わる。また、作物を販売したことによる収益は、作物の価格、収穫量に依存する。従って、植物工場毎に、かつ、作物毎に、収益が最大となる上述のパラメータを求め、それに基づいた環境制御を行うことにより、収益増加が見込まれる。このためには、収益が最大となる環境パラメータの値を、簡便に推定するための手法開発が必要である。
【先行技術文献】
【０００４】  ［特許文献１］では、光合成速度と上述の環境パラメータ等の関係が既知であり、生育シミュレーションで推定できる場合の制御方法を示している。特許文献２では、カメラによって取得した植物の画像を参照し、植物の成長速度を算出している。
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特願２０１３−２０３８６０（Ｐ２０１３−２０３８６０）
【特許文献２】特願２０１５−１６９３７７（Ｐ２０１５−１６９３７７）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】  完全閉鎖型植物工場では、各種センサーを設置し、１）光の強さ、２）風速、３）炭酸ガスの濃度、４）温度、５）湿度、６）水量や養分の濃度等、を測定し、これらの測定結果に基づいて、１）光源、２）扇風機、３）炭酸ガス供給装置４）暖房装置、５）除湿器、６）水量や養分の供給装置等、をコントロールし、植物工場内の環境が作物の育成に適するよう制御を行っている。これらの環境制御を適切に行わなければ、作物の収穫量を多くすることはできない。炭酸ガスの濃度や光の強さが高ければ、作物の生長は高められるが、高すぎると、コストが増加するだけで、成長は高くならず、逆効果になる場合もある。【０００７】  作物にとり、成長が最も促進される環境は作物毎に異なる。作物を生産することによる収益は、生産された作物の販売価格から、生産コストを引いたものであるが、販売価格は、作物毎に変わり、時間的にも変化する。生産コストは、１）植物工場や、各種機材購入の償却費、２）植物工場の規模、３）作付けを行ってから、収穫するまでの期間、４）環境制御を行うための電気、炭酸ガス、肥料等の費用、５）その他、販売するための費用等、が含まれる。単位時間当たりの収益は、販売価格と生産コストの差を、生産に必要な期間で除したものであるが、それを最大にすることが、人件費や利益を最大にすることになる。単位時間当たりの収益は、上述のように多くの要因に依存していることから、単位時間当たりの収益を最大にするよう、作物栽培の各種環境パラメータの設定は簡単ではない。このため、光の強さ、温度、湿度、炭酸ガスの濃度等の設定は、経験的に行われているが、経験的設定が収益最大になるとは限らない。また、経験の少ない人は、植物工場の運営を適切に行うことはできない。本発明は、各種センサーを分析し、収益が最大となる各種環境パラメータの値の設定方法を示すものである。具体的には、例えば、温度を何度に設定すれば、収益が最大になるか等の設定方法を示すものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】  本発明は、完全閉鎖型の植物工場の、ある部屋で、ある特定の１種類の作物の生産が行われており、炭酸ガスの濃度、温度、湿度、光の強さ、風速、培養液の濃度等がセンサーで測定されている、あるいは、推定可能であるとし、１）炭酸ガスの消費量と作物の生産量、および、販売価格との関係、２）炭酸ガスの消費量の時間微分値と、作物の成長率との関係、３）環境パラメータの設定値と、生産コストとの関係、４）１）から３）の関係から導かれる、単位時間当たりの販売価格と生産コストとの差から、収益が最大となる環境パラメータの値を設定する方法を示すものである。【０００９】  先ず、炭酸ガスの消費量と作物の生産量、販売価格との関係について示す。植物は空気中の二酸化炭素、水、窒素、リン酸、カリ等を吸収し、光のエネルギーを用いて光合成を行い、有機物を作っている。植物の科学組成は植物毎に変わるが、大部分は、炭素（Ｃ）、酸素（Ｏ）、水素（Ｈ），窒素（Ｎ）から構成されている。植物に含まれるすべての炭素は、空気中の二酸化炭素を吸収し、植物体内に蓄積さしたものである。植物は光合成により炭酸ガスを吸収し、酸素を放出する。また、呼吸により、逆に、酸素を吸収し、炭酸ガスを放出する。植物の炭酸ガスの吸収量は両者の差であり、吸収された炭酸ガスの中に含まれる炭素（Ｃ）が、他の元素と結合し、有機物として、植物の体内に蓄えられる。【００１０】  ある特定の植物について、全体の有機物中に占める炭素の重さの割合は、ほほ一定であると近似できる。植物の有機物の重さは、空気中からの炭酸ガスの吸収量で、
【数１】
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と表わされる。ここに、Ｗは植物の有機物の重さ，Ｗｃは空気中から吸収された炭酸ガスの重さ、Ｒｃｏ２は炭酸ガス中に占める炭素の重さの比で１２／４４、Ｒｃは有機物全体の重さと、有機物に含まれる炭素の重さとの比である。販売価格は、この作物の単位重量当たり価格を用いて、
【数２】
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と表せる。ここに、Ｍは販売価格、Ｍｕは作物の有機物の単位重量当たりの単価である。【００１１】  次に、炭酸ガスの消費量の時間微分と、作物の成長率との関係について示す。植物の成長率ＧＲは、有機物の重さＷの時間変化で、
【数３】
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と定義されている。植物は、サイズが大きくなると、同じ制御環境でも成長率は増加するので、単位重量当たりの成長率ＲＧＲは、
【数４】
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数式１の炭酸ガスと、有機物の関係より、ＲＧＲは炭酸ガスの消費量と、その時間微分を用いても表される。
【数５】
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数式４式のＲＧＲが時間変化しないと仮定し、時間積分すると、
【数６】
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が得られる。ここに、Ｗｉｎｉは、ｔ＝０における作物の炭酸ガスの消費量である。Ｗｉｎｉは、数式１を用いて、有機物の重さから求めることもできる。【００１２】  ＲＧＲが一定と近似していることから、数式６式は、近似的には、植物の重さが成長率と時間との積で、指数関数的に増大することを示している。植物の栽培では、成長率を高めることにより、栽培期間の短縮、あるいは、収穫量の増加が期待できることを示している。【００１３】  与える光の強さ、温度、湿度、風力の大きさの設定値により電気代は変わり、生産コストも変化する。また、電気代は、植物工場の規模により大きく変化し、電気の単価でも変わる。培養液の与え方も生産コストに影響されるが、同様に植物工場の規模に大きく依存する。生産コストには、工場や、設備の償却の費用も含まれるが、これも、規模や、設置機器により変わる。生産コストは、個々に大きく違うが、これらは、全て、単位当たりの価格と、使用量との積や定数で表される。全ての単価や償却費等はあらかじめ知ることができることから、生産コストは、単価と、消費量との線形式であらわされる。【００１４】  次に、単位時間当たりの販売価格と生産コストとの差が最大、即ち、単位時間当たりの収益が最大となる環境パラメータの設定方法について示す。一般的に、食物工場での作物の作付けは繰り返し行われており、環境設定パラメータは経験的に与えられている。従って、経験的に与えられている環境設定パラメータを用いた場合の、全作物の販売価格Ｍ０、平均的作付けから収穫までの期間Ｔ０、生産コストＰ０は、前年度までの作付け実績から知ることができる。【００１５】  以下は、各種環境パラメータの設定値を変更した場合の、炭酸ガスの消費量の変化から、環境パラメータの変更による収益の変動量を推定する式を導き、各種環境パラメータの値をどのように設定すれば、収益が最大となるかを求める方法を示すものである。【００１６】  作物の成長は、近似的には、数式６で表されるとすると、収穫期間が一定である作物を栽培する場合には、収穫量は、ＲＧＲの冪乗で増加することを示している。また、作物の重さが一定になれば、収穫する作物を栽培する場合には、収穫までの期間が、ＲＧＲに反比例して減少することを示している。ここでは、収穫期間が一定であるとして、以下に、環境パラメータの最適値の求め方について示す。後者でも、同様に記述できる。【００１７】  栽培期間はＴ０で、成長率は時間的に一定であると近似できるとすると、数式６から、作物の栽培量は、Ｗｉｎｉｅｘｐ（ＲＧＲＴ０）になり、販売価格は、数式２より、
【数７】
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となる。ここに、Ｗｂは、個々の作物の時刻ｔ＝０における重さと、作物の植え付け数との積である。生産コストは、環境パラメータの関数であるが、温度や、光の強さを強くすると、それに比例して、増加、あるいは、減少する。生産コストは、生産に必要な電気等の価格とそれらの使用量との積と、各種設備の償却費との和であることから、環境パラメータの値を用いた線形式で近似できる。従って、期間Ｔ０での生産コストは、
【数８】
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と表せる。ここに、ＰＣは生産コスト、Ｐ０は、野菜工場の各種設備の償却費の総和、αｎ、Ｕｎは、ｎ番目の環境パラメータに対応する生産原料の使用量とその単価である。ｎ個からなる環境パラメータの使用量をベクトルαで、その単価をベクトルＵと置くと、α  ＝（α１，α２，α３，．．αｎ）、Ｕ  ＝（Ｕ１，Ｕ２，Ｕ３，．．Ｕｎ）と置かれる。【００１８】  期間Ｔ０での生産価格と生産コストとの差をＧとすると
【数９】
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となり、この値が最大となれば、単位時間当たりの収益も最大となる。しかし、数式９に含まれるＷｂは、個々の作物の時刻ｔ＝０における重さと、作物の植え付け数との積であることから、測定は困難である。そこで、本発明では、以下に示すように、環境パラメータの値を経験的に指定した場合と、環境パラメータを経験的値から変えた場合の収益の差を数式９を用いて数式で表し、環境パラメータを、経験的に与えた場合から変化させた場合の収益の変化を推定し、収益が最大となる環境パラメータを設定するものである。【００１９】  環境パラメータを変化させた場合の収益の差ΔＧ（α）は、数式９を用いて、
【数１０】
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となる。ここに、Ｍ０＝Ｍｕ  Ｗｉｎｉ  ｅｘｐ（ＲＧＲ０Ｔ０）で、経験的に環境パラメータを与えた場合の販売価格であり、既知である。また、ΔＲＧＲ、Δαは、環境パラメータ変更前後の作物の成長率と、生産原料の使用量ベクトルの差で、ΔＲＧＲ＝ＲＧＲ―ＲＧＲ０、Δα＝α−α０と表せる。ここに、ＲＧＲ０、α０は、環境パラメータを経験的に与えた場合の植物の成長率、および、環境パラメータを経験的に与えた場合の生産原料の使用量ベクトルである。数式９では、収益は、複雑で、測定が困難なパラメータの関数であるが、数式１０に示すように、収益の差は、経験的方法で環境パラメータを設定した場合の作物の販売価格、環境パラメータの変化に伴う成長率の変化量、生産コストの変化量の差で表されることを示している。【００２０】  次に、数式１０式のΔＲＧＲの測定方法について示す。測定は、時刻ｔ１，ｔ２，ｔ３，ｔ４に行われるとし、時刻ｔ１からｔ３の時間区間では、環境パラメータは、経験的に与えられるパラメータ、時刻ｔ３からｔ４では、環境パラメータを変更するものとし、この時間区間の成長率をＲＧＲと置く。数式６より、各区間での炭酸ガスの使用量は、
【数１１】
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【数１２】
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【数１３】
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と置かれる。ここに、Ｗｃ１は、時刻ｔ１までの炭酸ガスの使用量の総和，ΔＷｃ２１、ΔＷｃ３２、ΔＷｃ４３は、時刻ｔ１とｔ２、時刻ｔ２とｔ３、時刻ｔ３とｔ４の区間での炭酸ガスの使用量である。炭酸ガスの使用量は、測定可能な量であるが、数式１１及び数式１２及び数式１３のＷｃ１、ＲＧＲ０、ＲＧＲは見積もることが難しいパラメータである。そこで、これら３個のパラメータを未知数とし、数式１１及び数式１２及び数式１３を用いて解くことにより、見積もることが難しいパラメータを求めることができる。解が求められると、炭酸ガスの使用量の変化から、環境パラメータを変更した場合の成長率が求められる。【００２１】  数式１１、数式１２、数式１３では、環境パラメータを変更した場合の、ある特定の区間の成長率を求める場合について示したが、炭酸ガスの吸収量は連続的に測定されていることから、環境パラメータの変更に対応する成長率の変化は刻々計算することができ、計算結果を数式１０に代入することにより、単位当たり収益と、環境パラメータの値との関係を求めることができる。【００２２】  環境パラメータは、炭酸ガスの濃度、温度、湿度、光の強さ、風速、培養液の濃度等、複数個から構成されている。単位時間当たりの収益が最大となるようにするには、これら全てのパラメータを変化させ、数式１０が最大となる解を求めるようにする。解の求め方の一つの方法は、図１に示すように個々の環境パラメータ毎に、値を変化させ、数式１０が最大となる値を求めることである。他の考えられる方法は、環境パラメータの制御を開始、あるいは、停止すると、環境パラメータの値は一定にならず、時間的に変化する。この変化に伴う数式１０の値の変化を蓄積し、その中から、数式１０が最大となるパラメータ値の組み合わせを選ぶことである。
【発明の効果】
【００２３】  本発明によれば、植物工場の収益が最大となる環境制御が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】数式１０による単位時間当たり収益、販売価格、制御パラメータの設定値との関係のイメージ図。パラメータ毎に、収益が最大となる値を設定し、これを繰り返し行うことにより、収益が最大となる環境パラメータを設定することができる。
【発明を実施するための形態】
【００２５】  本発明を実施するには、植物による炭酸ガスの消費量を正確に測定する必要がある。閉鎖型植物工場でも、完全にハウス内と、外の空気との流通を無くすことはできない。このため、炭酸ガスのボンベからハウス内に供給した炭酸ガスがそのまま植物により供給されるわけではなく、一部は、外部に逃げてしまう。炭酸ガスの消費量の測定では、炭酸ガスが外気に漏れる割合を測定する必要があり、以下にその測定方法を記す。
【００２６】  空気の入れ替え率の測定は、作物の植え付けを行う前に行うものとし、作物による炭酸ガスの消費量はないとする。ハウスの容積Ｖに匹敵する外気が、ｈ時間で、ハウス内に取り込まれ、同量の空気がハウスから、逃げ出すとする。外気と、ハウス内部の炭酸ガス濃度を、ρｏｕｔ（定数），ρｈとする。この場合の，単位時間当たり空気の入れ替え率は１／ｈであることからΔｔ単位時間当たりの炭酸ガスの流出量と流入量との容積の差は、ΔＶｃｏ２＝Ｖ／ｈ＊（ρｈ−ρｏｕｔ）Δｔと表される。濃度変化は、Δρｈ＝−ΔＶｃｏ２／Ｖとなることから、
【数１４】
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となる。数式１４の微分方程式の解は、
【数１５】
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となる。ここに、ρ０は、ｔ＝０における、ハウス内の炭酸ガスの濃度である。
【００２７】  炭酸ガスの濃度は炭酸ガスセンサーを用いて測定可能である。測定前にハウス内の炭酸ガス濃度を高め、ρ０、ρｏｕｔを測定する。次に、炭酸ガス濃度の時間変化を測定し、測定データと、数式１５が一致するよう、ｈを求めることができる。
【００２８】  炭酸ガスのボンベを開けっぱなしにして、連続的に炭酸ガスを注入する場合には、ハウス内部の気圧変化で、ボンベから流入したのと同量の空気が、流入と同時に外部に流出する。この場合には、
ΔＶｃｏ２＝Ｖ／ｈ＊（ρｈ−ρｏｕｔ）Δｔ＋ΔｔＶｂ（ρｂ−ρｈ）となる。ここに、Ｖｂは、ボンベからの単位時間当たり流入量、ρｂはボンベの炭酸ガスの濃度である。この場合には、
【数１６】
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数式１６の微分方程式の解は、同様に、
【数１７】
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と置かれる。炭酸ガス濃度の測定を連続的に行うと、観測データと、数式１７から、ボンベからの、炭酸ガスの連続的流入量Ｖｂ／Ｖを見積もることができる。
【００２９】前述のように、収益が最大となる環境パラメータの設定には、炭酸ガスの消費量測定データが必要であるが、それらは、数式１７で計算される炭酸ガスの濃度と、観測される濃度との差とハウスの容積Ｖとの積で算出することができる。
【図１】
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