JP2019128703A - 植物工場における収穫日の調整システムおよびその調整方法 - Google Patents

Abstract

【課題】異常気象により市場流通量が不足する時期に植物を供給できるよう収穫日を調整可能なシステムおよびその調整方法を提供する。【解決手段】本発明の収穫日調整システムは、露地物の流通不足日を予測する流通量予測部と、収穫予測日を予測する収穫予測部と、収穫予測日と収穫設定日とが第一の範囲内に収まるように環境制御機器を制御する環境機器制御部と、流通不足日と収穫予測日とが第二の範囲内の場合は収穫設定日を流通不足日に変更する生産計画部と、を有することを特徴とする。【選択図】図２

Description

植物工場で栽培される野菜や果物などの収穫日の調整システムおよびその調整方法に関する。

植物工場には、外部から隔離した閉鎖環境で制御する「完全人工光型工場」と、温室等の半閉鎖環境で外部の環境を利用した「太陽光利用型工場」と、太陽光利用型で人工光も利用する「人工光太陽光併用型工場」などがある。一般的に植物工場における栽培は露天（露地）の栽培に比べ、異常気象の影響を受けにくい、収穫量が安定、品質が一定というメリットがある一方、環境制御のためのエネルギーコストが掛かるため高価格であるというデメリットがある。
植物工場における植物の育成を促進する方法として、特許文献１の放電を利用する方法や特許文献２のＣＯ２濃度を高める方法などが知られている。

特許第６２０７００１号公報 特開２０１７−７３９９０号公報

近年、地球温暖化に伴う異常気象による農作物への被害発生頻度が多くなってきている。例えば、２０１７年に日本に上陸した台風は４つで、特に９月に日本を縦断した台風１８号の農作物被害は４万４０００ヘクタールで４０億円に上った。このように台風上陸や長雨などがあると、露天で栽培された野菜や果物（以下、露地物と呼ぶ）の収穫量が激減し品薄状態となり市場価格が高騰するということが社会問題化している。
本発明の課題は、上記を鑑みて自然環境の要因により市場での露地物の流通量が少なくなる時期に栽培植物を供給できるように植物工場における収穫日を調整できるシステムを提供することにある。

本発明の収穫日調整システムは、植物工場の栽培環境を制御する環境制御機器と、植物の生育状況を検出する生育状況モニタリング装置と、前記栽培環境を計測する環境センサとにより構成され、
地域の気象情報を取得する気象情報取得部と、
露地物の生産地情報を記憶している生産地情報記憶部と、
前記地域の気象情報と前記生産地情報とに基づいて露地物の流通不足日を予測する流通量予測部と、
前記生育状況から収穫予測日を予測する収穫予測部と、
前記収穫予測日と設定された収穫設定日とが第一の範囲内に収まるように前記環境制御機器を制御する環境機器制御部と、
前記流通不足日と前記収穫予測日とが第二の範囲内の場合は前記収穫設定日を前記流通不足日に変更する生産計画部と、を有することを特徴とする。

本発明によれば、自然環境の要因により市場での露地物の流通量が不足する時期に合わせて栽培植物の収穫日を調整できる。

本発明の全体構成図である。 本発明の機能ブロック図である。 収穫設定日と環境制御モードを変更する際の処理手順を示すフローチャートである。 環境制御モードごとの環境条件の設定例を示す図である。 イチゴ（実）の成長度合いを示す図である。 収穫日の予測方法を示す図である。

本発明の収穫日調整システムを用いた植物工場の全体構成を図１に示す。植物工場１は、栽培レーン５が仕切板４によって複数の区画に分割されている。図１の例では、図面の左右方向にＡ区画とＢ区画の２つの区画に分割されている。図１では２分割の例を示しているが、これに限らず図面の左右方向を栽培レーン５ごとに分割しても良いし、栽培レーンの長手方向（図中の紙面を貫く方向）に更に分割しても良い。
分割された区画が栽培環境を制御するための最小単位となる。例えば、Ａ区画には環境制御機器として照明装置３３１ａ、カーテン３３２ａ、送風機３３３ａ、空調機３３４ａ、ＣＯ２供給装置３３５ａ、これらを制御する制御装置３ａ、生育状況モニタリング装置６（不図示）と環境センサ７（不図示）が設置されている。Ｂ区画も同様である。
更に本発明の植物工場１には各区画共通の機器として、管理装置２と養液供給装置３３６が設置されている。但し、養液供給装置３３６はバルブ３３８ａ、３３８ｂで区画Ａと区画Ｂごとに個別に供給制御が可能となっている。

図１の例では、養液供給装置３３６は共通機器として設置しているが、各区画に分割設置しても良い。また、ＣＯ２供給装置は各区画に分割設置しているが、養液供給装置と同様に共通機器として設置し、バルブで個別に供給制御できるようにしても良い。同様に送風機や空調機も通風路を設けてバルブで各区画に供給制御できるようにすれば共通機器として設置しても良い。すなわち、環境制御機器は設置コストや制御容易性に応じて、適宜共通設置とするか分割設置とするか選択すれば良い。

本発明の植物工場の制御方法について図２の機能ブロック図を用いて説明する。
管理装置２は例えばパーソナルコンピュータやモバイル端末である。管理装置２は、設定入力部２１、気象情報取得部２２、生産地情報記憶部２３、流通量予測部２４および表示部２５を有している。
設定入力部２１は入力機能であり、この機能を介して区画Ａおよび区画Ｂの収穫設定日の初期設定を行う。気象情報取得部２２は気象情報をネットワーク経由で取得する。
生産地情報記憶部２３には、露地物の生産地および生産地ごとの過去数年の平均生産量、平均出荷ピーク時期が記憶されている。
流通量予測部２４は、露地物生産地の気象情報と生産地情報とに基づいて露地物の流通不足日を予測する。

表示部２５は環境センサ７が計測した温度、湿度、日射量、ＣＯ２濃度、風量などの測定データを制御装置３から受け取りトレンドグラフに表示する。同時に区画ごとの収穫設定日や収穫予測日などを表示管理している。
制御装置３は例えばＰＬＣ（プログラマブルロジックコントローラ）であり、ＣＰＵ（中央演算処理装置）、通信インターフェース、メモリを有している。また、アプリケーションソフトとして生産計画部３１、収穫予測部３２、環境機器制御部３３を有している。
収穫予測部３２は、生育状況モニタリング装置６の検出値から収穫予測日を予測する。
環境機器制御部３３は収穫予測日と収穫設定日が第一の範囲内（例えば±１．５日）に収まるように温度計、湿度計、日射量計、ＣＯ２濃度計などの環境センサ７の測定データを用いて環境制御機器を制御する。第一範囲は栽培する植物の種類や同一の植物でも品種によって異なる。環境制御機器は、照明装置３３１、カーテン３３２、送風機３３３、空調機３３４、ＣＯ２供給装置３３５、養液供給装置３３６である。なお、生産計画部３１により収穫設定日が変更された場合は、環境制御モードを通常モードから促進モードないし抑制モードに変更する。詳細については後述する。
生産計画部３１は、温度計、湿度計、日射量計、ＣＯ２濃度計などの環境センサ７の測定データを収集し管理装置２に送信する。また、流通不足日が収穫設定日の第二の範囲内（例えば±７日）である場合は当該区画の収穫設定日を流通不足日に変更する。

なお、本例では管理装置２と制御装置３を分けているが、管理装置２と制御装置３は一体化させても良い。また、管理装置２と制御装置３の各機能は本例に限らずどちらに持たせても良い。
収穫日の予測方法について図５および図６を用いて説明する。
図５はイチゴ（実）の成長度合いを示した図である。イチゴの実は、初期は白色をしている（図５ａ）。これが大きくなると共に先端部から完熟色の赤色に変化し始める（図５ｂ）。更に成長が進むと赤色が徐々に上端部に向け拡がっていく（図５ｃ）。収穫期には、ほぼ全体が赤色になる（図５ｄ）。実全体に対するこの完熟色（赤色）の面積比率を、収穫日を判定する評価指標として、収穫日の予測方法を示したものが図６である。なお、完熟色の面積比率は、ＣＣＤカラーカメラの画像から、実の初期色である白色に相当する画素と実の完熟色である赤色に相当する画素を抽出し、赤色画素数を赤色画素数と白色画素数の合計で除算して求めれば良い。日々の完熟色の比率をプロットし、これらのプロット点の近似直線を求め、この近似直線の傾きから収穫日を予測する。近似直線の傾きは成長速度を表しており、式１にて収穫まであと何時間必要かが求まる。
［収穫設定値（％）−現在値（％）］÷成長速度（％／時間）・・・・・・・式１
上記の収穫予測では色の変化とその検出手段としてＣＣＤカラーカメラを用いた例を示したが、この限りではない。例えば、糖度を収穫日の評価指標とし、その検出手段は赤外線糖度計でも良い。また葉物野菜であれば、単純に大きさを評価指標とし、その検出手段はＣＣＤ白黒カメラでも良い。すなわち本発明における収穫日予測方法は収穫日に関連するなんらかの評価指標を定め、その評価指標の時間経過に対する変化率（植物の成長速度に相当）を求めることにある。

なお、図６では収穫設定日が変更され、それに伴い環境制御モードも変更された場合の収穫日予測も併せて示している。環境制御モードが変更された場合は、変更された環境制御モードにおけるプロット点の近似直線の傾きから収穫日が新たに予測される。
次に、動的に収穫設定日を変更する際の手順について、図３を用いて説明する。図３に示す処理は所定の間隔でサイクリックに実行される。
ステップＳ１において、気象情報取得部２２はネットワーク経由で気象庁から気象予報を取得する。気象予報は警戒度レベルから３段階に分けられている。特別警報は６種類で「重大な災害が発生するおそれが著しく高まっており最大級の警戒を要する場合」、警報は７種類で「重大な災害が発生するおそれがあり警戒を要する場合」、注意報は１６種類で「災害が発生するおそれがあり注意を要する場合」である。
ステップＳ２において、警報の有無を判断する。特別警報および警報が発せされている場合はステップＳ３に進み、注意報もしくは何も発せられていない場合は終了する
ステップＳ３において、警報が発せられている地域が生産地情報記憶部２３に記憶されている露地物生産地と一致するか否かを判断する。一致する場合はステップＳ４に進み、一致しない場合は終了する。

ステップＳ４において、流通量予測部２４は市場での流通量が不足する日を予測する。市場価格の高騰日を流通不足日と仮定し、過去事例における警報日と市場価格の高騰日との差分の平均値を流通量が不足するまでの日数として予測する。なおこれに限らず、警報レベル（特別警報or警報）、警報種類（大雨、大雪、暴風など）、警報日、被害発生日（台風通過日、大雨降雨日など）、価格高騰日の過去実績を機械学習させ、機械学習させたデータベースを用いて流通不足日を予測するようにしても良い。

ステップＳ５において、収穫設定日を変更する区画候補を抽出し、検討区画を１つ選択する。区画の分割数が本例のように２区画と少ない場合は無条件で全区画を変更候補として抽出すれば良い。区画数が多い場合は、育成段階が実まで来ている区画を抽出するようにしても良い。なお、ステップＳ８から戻った場合は、未選択の区画を再度選択する。

ステップＳ６において、収穫日を調整できる範囲は１週間程度（約±７日）であり抽出した区画候補の収穫設定日をステップＳ４で予測した流通不足日に変更できるか否かを判断する。現状の収穫予測日とステップ４で予測した流通不足日が第二の範囲内（例えば±７日）ならばステップＳ７へ進み、範囲外ならば終了する。

ステップＳ７において、現状の収穫設定日をステップ４で予測した流通不足日に変更し、環境制御モードを通常モードから収穫日を遅らせる場合は抑制モード、収穫日を早める場合は促進モードに変更する。

ステップＳ８において、ステップＳ５で抽出した候補全ての検討が完了したか否かを判断する。完了していない場合はステップＳ５に戻る。完了していた場合は、処理を終了する。
収穫日の調整方法について、図４を用いて説明する。
植物は光合成により成長する。光合成の環境要因の４大要素は、光強度、光照射時間（日長）、温度、ＣＯ２濃度である。一般的にこれらの４大要素は高い程、光合成は活発に行われる。
本発明では、環境制御モードを、通常モード、促進モード、抑制モードの３つのモードに分けている。

通常モードは、植物の味が最良になるようもしくは栄養価が最高になるように、かつ植物に与えるダメージが最小になるように設定されている。当然この設定値は、栽培する植物の種類、同一植物でも品種により異なる。
促進モードは、光合成を促進するために環境条件を図４に示すように通常モードよりも設定値を増加させたモードである。このモードでは、光合成が活性化されるため成長速度は速まるが、植物に与えるダメージは大きくなると共に味や栄養価も落ちる傾向にある。
抑制モードは、光合成を抑制するために図４に示すように通常モードよりも設定値を減少させたモードである。このモードは促進モードとは異なり特段の弊害はない。

なお図４において、養液の設定値を変化させていないのは、植物が吸収して減少した分の成分を補充する制御をしているためである。また風量を増加もしくは停止するのは、葉からの蒸散速度を増加もしくは減少させ、根からの養分吸収を促進もしくは抑制するためである。本発明では、光合成の４大要素と風量により植物の成長速度をコントロールし、収穫日を調整している。
以上説明した通り、本発明によれば収穫日が調整可能となり、災害発生時の一助となる。また、副次的な効果として植物工場経営者にとっては高値販売が可能となることから経営の安定化が期待できる。

１ 植物工場
２ 管理装置
２１ 設定入力部
２２ 気象情報取得部
２３ 生産地情報記憶部
２４ 流通量予測部
２５ 表示部
３ 制御装置
３１ 生産計画部
３２ 収穫予測部
３３ 環境機器制御部
３３１ 照明装置
３３２ カーテン
３３３ 送風機
３３４ 空調機
３３５ ＣＯ２供給装置
３３６ 養液供給装置
３３７ バルブ（ＣＯ２）
３３８ バルブ（養液）
４ 仕切板
５ 栽培レーン
６ 生育状況モニタリング装置
７ 環境センサ

Claims (9)

1. 植物工場の栽培環境を制御する環境制御機器と、植物の生育状況を検出する生育状況モニタリング装置と、前記栽培環境を計測する環境センサとを備えた収穫日調整システムにおいて、
   地域の気象情報を取得する気象情報取得部と、
   露地物の生産地情報を記憶している生産地情報記憶部と、
   前記地域の気象情報と前記生産地情報とに基づいて露地物の流通不足日を予測する流通量予測部と、
   前記生育状況から収穫予測日を予測する収穫予測部と、
   前記収穫予測日と設定された収穫設定日とが第一の範囲内に収まるように前記環境制御機器を制御する環境機器制御部と、
   前記流通不足日と前記収穫予測日とが第二の範囲内の場合は前記収穫設定日を前記流通不足日に変更する生産計画部と、
   を有することを特徴とする収穫日調整システム。
2. 前記植物工場は、複数の区画に分割されており、前記区画ごとに収穫設定日が設定されていることを特徴とする請求項１に記載の収穫日調整システム。
3. 前記生産地情報は、植物工場内で栽培されている植物の露地物の複数の生産地、該生産地ごとの過去数年の平均生産量および平均出荷ピーク時期であることを特徴とする請求項１に記載の収穫日調整システム。
4. 前記収穫予測部は、予め定めた収穫時期評価指標の時間変化を直線近似し、該直線の傾を成長速度とし、該収穫時期指標の収穫設定値と該収穫時期指標の現在値との差分を該成長速度にて除算し収穫日を予測することを特徴とする請求項１に記載の収穫日調整システム。
5. 前記環境機器制御部は、環境制御モードとして通常モード、促進モード、抑制モードを有しており、前記生産計画部が収穫設定日を早めた場合は前記制御モードを前記促進モードに変更することを特徴とする請求項１に記載の収穫日調整システム。
6. 前記環境機器制御部は、環境制御モードとして通常モード、促進モード、抑制モードを有しており、前記生産計画部が収穫設定日を遅らせた場合は前記制御モードを前記抑制モードに変更することを特徴とする請求項１に記載の収穫日調整システム。
7. 前記促進モードは、光強度、光照射時間、温度、ＣＯ２濃度、風量の設定値の少なくとも１つを増加させることを特徴とする請求項５に記載の収穫日調整システム。
8. 前記抑制モードは、光強度、光照射時間、温度、ＣＯ２濃度、風量の設定値の少なくとも１つを減少させることを特徴とする請求項６に記載の収穫日調整システム。
9. 植物工場の栽培環境を制御する環境制御機器と、植物の生育状況を検出する生育状況モニタリング装置と、前記栽培環境を計測する環境センサとを用いた収穫日調整方法において、
   地域の気象情報を取得する気象情報取得ステップと、
   露地物の生産地情報と、
   前記地域の気象情報と前記生産地情報とに基づいて露地物の流通不足日を予測する流通量予測ステップと、
   前記生育状況から収穫予測日を予測する収穫予測ステップと、
   前記収穫予測日と設定された収穫設定日とが第一の範囲内に収まるように前記環境制御機器を制御する環境機器制御ステップと、
   前記流通不足日と前記収穫予測日とが第二の範囲内の場合は前記収穫設定日を前記流通不足日に変更する生産計画ステップと、
   を有することを特徴とする収穫日調整方法。