農業用ハウス制御におけるSTAMPモデリングの試⾏
STAMP modeling ofgreenhouse control
有田 大作、日下部 茂
D.Arita & S.Kusakabe⻑崎県⽴大学
Univ. of Nagasaki
2016年12月6日
6 Dec. 2016

はじめにIntroduction• 農業用ハウスのシステムについてSTAMP/STPA分析
STPA of greenhouse systems• 農家のビジネスゴール達成の観点で考えてみる
Achieving business goals for farmers• まず、農作物を収穫できる• そして、収益が確保でき、さらには• 低コスト指向、• 薄利多売指向、• 少量⾼付加価値指向、• …

既存事例に対し概念実証的なSTAMP/STPA試⾏の後、実務者による分析の妥当性確認→ 段階的、系統的な分析を指向圃場環境の制御目標/(安全)制約(Safety) constraints in farm field environment
0. 農作業者の健康を守る
To keep farmer’s health• 今回は対象外1. 農作物の健康を守る
To keep plant’s health• 温度temperature• 土壌水分soil moisture

2. 栄養⽣⻑、⽣殖⽣⻑、これらのバランス︓光合成等の制御問題→STAMP
Control to keep balance among photosynthesis, vegetation growth
and reproduction growth → STAMP Modelling!
• 温度、湿度、風量、CO2濃度
temperature, humidity,
air flow, CO2 condensation• 光強度、日⻑
light strength, day length• 土壌水分、窒素含有量
soil moisture, nitrogen content

窒素含有量nitrogencontent

葉数# ofleaves

⽣⻑に必要な要素のソースとシンク
温度sink 光強度
source andof growth factors
湿度humidity

風量
air flow

CO2濃度concentr
ation

temperaturelightstrength

光合成
葉photosynthe
sis

土壌
水分
soil
moisture

葉⾯積
leaf area

茎数# ofstalks

栄養⽣⻑
葉、茎、根vegetation
growth

土壌
soil

⽣殖⽣⻑
花、実、種
reproduction
growth花数# offlowers

温度
tempera
ture

日⻑
day
length果数# offruits栄養⽣⻑と⽣殖⽣⻑
vegetation growth and reproduction growth• 栄養⽣⻑のみ
only vegetation growth• ホウレンソウ、観葉植物など
spinach, foliage plant, etc.
• 花芽分化（花になる芽を作ること）させない
inhibiting floral differentiation• 栄養⽣⻑から⽣殖⽣⻑へ移⾏change vegetation growth
to reproduction one• メロン、カリフラワー、コメなど
melon, cauliflower, rice, etc.
• 栄養⽣⻑を⼗分に⾏わせたあとで低下させる
lowering vegetation growth after enough growth• 栄養⽣⻑と⽣殖⽣⻑を同時
simultaneous vegetation and reproduction
growth• トマト、キュウリ、イチゴなど
tomato, cucumber, strawberry, etc.
• 栄養⽣⻑と⽣殖⽣⻑のバランス制御
balancing between vegetation and reproduction growthトマトハウスにおける圃場環境の自動制御
Field environment control devices
温度
湿度
temperatu
humidityre

暖房機
heater↑風量air flow

CO2濃度
CO2 %

光強度
light
strength↓

灌水装置
irrigator
天窓・側窓
window

↑↓

↑↓

送風機
fan
遮光フィルムshading film

照明器具
light↑↑↓↑↓↓

CO2発⽣器CO2 generator
細霧発⽣器mist generator

土壌水分soilmoisture

↑
↓

↑
↑

【目標1】農作物の健康を守る圃場環境制御(Goal 1) field env. control to keep plant’s health• トマトハウスの場合
in case of tomato house• 温度は10〜35℃を保つ
temperature within 50－90℉• 土壌水分を保つ
keep soil wet• 温度が低すぎると
if temperature is too low• 葉が枯死leaf withering• 実に傷
fruit damage• 温度が⾼すぎると
if temperature is too high
• 結実しないno fruiting• 実の着⾊不良
less coloring

温度制御

温度制御(暖房機と天窓)のコントロールストラクチャ
Control structure for temperature control
農家farmer
CA1

CA3
FB1

rainsensor

CA: Control Action1. Power on/off. Fuel supply.
2. Blow warm air.
3. Power on/off.
4. Ventilate.
5. Precipitation.

FB3

CA5暖房機heaterCA2

天窓
top window
FB2

thermometer
actuator

CA4

FB4

thermometer
actuator

FB5

FB: Feedback
1. Indicator on/off.(Fuel level?)
2. Temperature.
3. Visual feedback.
4. Temperature
5. Five senses.

ハウス内環境（温度）field environment (temperature)暖房機のUCA
Unsafe control actions of heaterNot providing
causes hazard
Power onProviding
causes hazard

Incorrect timing /order

Stopped too soon /applied too longSupply when heater
is working or hot

Supply fuel oil too
much / too little

Not power on when
it is cold

Power off

Power off when it iscold

Fuel oil supply

Not supplied when
there is not enoughfuel oil

Blow warm air

Not blow when it iscold

Blow when it is hot
and top windowclosedStart blowing after it
becomes too cold /Stop blowing before
it is warm enough天窓のUCA
Unsafe control actions of top window
Not providing
causes hazard

Power onIncorrect timing / order

Stoppedtoo soon /appliedtoo long

Start ventilating after inside is too
hot /Stop ventilating before it is enoughcool /Start ventilating before stop raining /Stop ventilating after start raining

Ventilate
too long /Ventilate
too short

Not power onwhen it is hot

Power off
Ventilate

Providingcauses hazard

Power off when
it is hotNot ventilate
when inside is hot
and it does notrain

Ventilate whenoutside is cold /Ventilate when it
rains

ツール活用XSTAMPP: An eXtensible STAMP Platform
例︓コントロールストラクチャ

【事例1】温度制御実装例︓暖房機と天窓の導⼊(Case 1) Controlling temperature
温度の変動は想定内に→⽣⻑のためにはCO2も要制御
気温℃（左軸）CO2濃度ppm（右軸）3570030600

25500

2040015300

10200

510000岡安崇史（九州大学農学研究院）提供

ハウス内の温度の上昇に合わせて天窓が開閉し、CO2濃度が大気と同等の400ppm弱を保持
朝になり光合成が始まると、CO2濃度が300ppm程度まで一気に低下(次の考慮対象)

この日は午後から雨になり、
天 窓 が 開 か ず 、 CO2 濃 度 は少しずつ低下【事例1】温度制御例︓暖房機と天窓の導⼊(Case 1) Controlling temperatureTemp. in range / Next, consider CO2 for growthtemperature(°C) (left axis)

CO2 concentration(ppm) (right axis)

35700

30600

25500

2040015300

10200510000

岡安崇史（九州大学農学研究院）提供Opening/closing
topwindow
according to temperature made CO2
concentration 400ppm equal tooutside

Starting photosynthesis in the In the afternoon of this day, it
morning,
CO2
concentration rained. Then, top window did
not open and CO2 concentration
decreased to 300ppm
decreased slowly【目標2】意図した成⻑バランスを保つ制御(Goal 2) field env. control to keep balance• 例えば福岡市のトマトハウスの場合
in case of tomato houses in Fukuoka city

• 7月下旬に定植、8月上旬に開花、9月上旬から収穫開始、6月末に収穫終了
planting in Jul., first flowering in Aug.,
start harvesting in Sep., finish harvesting in Jun• 1〜2週間ごとに開花、5〜10週間で収穫
flowering every 1 or 2 weeks,
harvesting 5 to 10 weeks after flowering• 栄養⽣⻑が強すぎると
if vegetation growth is too much
• 落花、落果
flower drop, fruit drop
• 花芽分化なし
no floral differentiation• ⽣殖⽣⻑が強すぎると
if reproduction growth is too much

• 一時的な収量増ののち、光合成能⼒低下からの収量減
after increasing yield, then much decreasing because of photosynthetic
capacity shortage

【目標2】意図した成⻑バランスを保つ制御(Goal 2) field env. control to keep balance• CO2交換速度（光合成の能⼒）• 光合成がおこなわれると、ハウス内のCO2濃度が低下• CO2濃度を回復、さらには上昇させ、光合成を促進させる• 既存機器• 暖房機（温度制御）• 天窓（温度・降雨制御）• 遮光装置（タイマー）• 灌水装置（光強度制御）• 導⼊機器• CO2発⽣器（CO2濃度制御）

温度+CO2制御のコントロールストラクチャ
Control structure for keeping balance
農家
farmerrain
sensor

暖房機
heaterthermometer

天窓
top window

thermo
meter

timer

遮光装置
shading

灌水装置
irrigator

lightsensor

CO2発⽣器CO2 gen.

CO2sensor

ハウス内環境（光強度、CO2濃度、温度、湿度、風量、土壌水分）
field environment (light, CO2, temperature, humidity, air flow, soil moisture)【事例2】CO2発⽣器の導⼊(Case 2) Introducing CO2 generator
朝になり光合成が始まると、CO2発⽣器なし
CO2 濃 度 が 低 下 し た が 、気温℃（左軸）CO2濃度ppm（右軸）350ppmで反転し、450ppm3530まで上昇

7006002550020400

15300

1050200
ハウス内の温度の上昇に合わせて1000
天窓が開放されるたびに、CO2濃岡安崇史（九州大学農学研究院）提供
度が350ppm程度まで低下（CO2CO2発⽣器ありが逃げてしまった）。
気温℃（左軸）CO2濃度ppm（右軸）3570030600

25500

20400

15300

10200

510000岡安崇史（九州大学農学研究院）提供

【事例2】CO2発⽣器の導⼊(Case 2) Introducing CO2 generator
Starting photosynthesisWithout
in the CO2 generator
morning, CO2 concentration
temperature(°C) (left axis)
CO2 concentration(ppm) (right axis)
decreased and increased
by35
CO2 generator
30700
600

25500

20400

15300

10Opening top window according to100
0temperature rising let CO2 go out
岡安崇史（九州大学農学研究院）提供
of greenhouse to decrease
CO2Withto
CO2generator
concentration
400ppm50200

temperature(°C) (left axis)

CO2 concentration(ppm) (right axis)

35

700

30600

25500

20400

15300

10200

510000岡安崇史（九州大学農学研究院）提供

まとめConclusions• STAMP分析︓目標達成のための農業用ハウス制御
STAMP analysis of greenhouse control to achieve
farmer’s goal
• 段階的な目標設定に応じ段階的に制御を⾼度化する設備の追加を想定しSTAMP分析を試⾏
STAMP/STPA analysis of staged advancement ofcontrol, corresponding to staged goal setting• 既存事例に対する概念実証的なSTAMP/STPAの試⾏
後、実務者による妥当性確認→有望との⾒込み• 制御の干渉に関する漠然とした予感→モデル化し分析可能