【研究領域課題番号】21H01699 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

パンデミック / ワクチン供給 / 治療薬供給 / プロセス設計 / シミュレーション / 感染症数理モデル / ダイナミックシミュレーション / COVID-19 / ワクチン・治療薬 / デュアルユース / コンパニオン診断 / 診断・治療用ナノ粒子 / パンデミック治療薬 / モデル化 / 最適化

【研究成果の概要】

本研究の目的は、感染症流行をいち早く検知してワクチン・治療薬を迅速に供給するための、生産支援システムの構築である。研究では、ワクチン・治療薬の需要予測を得る「需要予測モジュール」と、与えられた需要予測に対して、速度やコスト面の最適プロセスを得る「プロセス設計モジュール」を構築し、これらを統合した「統合生産システム」につなげていく。初年度である2021年度は、当初計画に従い、遂行項目①「需要予測モジュールの構築」と項目②「プロセス設計モジュールの構築」、並びに項目④「システムのソフトウェア実装」に取り組んだ。「需要予測モジュールの構築」としては、新規感染予測モデルの開発に取り組んだ。研究には、前年度より開発に着手していたモデルを用いた。本モデルは、代表的な感染症数理モデルのSEIRモデル（Susceptible-Exposed-Infected-Recovered：SEIRモデル）に、人流・気象データを用いてパラメータを動的に推定するという、独自の改良を加えたものである。モデルは、日本国内のCOVID-19に適用可能であることを確認し、分析結果とともにScientific Reports誌で論文発表した。さらに、患者の生体シグナルからいち早く感染拡大の予兆を掴むための、診断・治療用ナノ粒子開発や、コンパニオン診断技術の開発、評価基盤構築にも取り組んだ。寒冷刺激を組み込んだモデルの応用も検討した。「プロセス設計モジュールの構築」としては、既存薬の製造設備を、感染拡大時にワクチン等の生産に転用するデュアルユース設備の推進策に注目し、国内のCOVID-19に関して、設備切り替えのタイミングと感染拡大の関係を分析した。「システムのソフトウェア実装」としては、上記研究で個別に構築したモデルを連結・統合して利用するための予備的検討を行った。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2021-04-01 - 2025-03-31

【配分額】17,290千円 (直接経費: 13,300千円、間接経費: 3,990千円)

【研究分野】社会システム工学・安全システム

【研究領域課題番号】26242027 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

最適化 / 意思決定問題 / アルゴリズム / モデル化 / 数理計画問題 / 経営工学 / OR / 錐計画問題

【研究成果の概要】

本研究では、3つの目的に関して次のような研究成果をあげた。意思決定問題のモデル化では、国際分散投資におけるポートフォリオ最適化問題、コンテナターミナルにおける蔵置問題、多重共線性を考慮した変数選択問題などを整理してモデル化した。
アルゴリズムの開発では、線形計画問題を解く単体法とLPニュートン法、カバーリング整数計画問題を解く近似アルゴリズム、対称錘計画問題を解くロバストアルゴリズムなどに関する研究成果をあげた。
意思決定支援プラットフォームの開発では、実務上の制約をみたす大規模なスケジューリング問題、多期間ポートフォリオ最適化問題などに関するアルゴリズムを実装し、その性能評価を行った。

【研究の社会的意義】

意思決定問題のモデル化に関する研究成果は、今まで長年の経験を積んだ実務家のみが行うことができた意思決定を、最適化問題としてモデル化することにより、誰もが利用できるように可能性を広げたところに社会的な意義がある。
アルゴリズムの開発に関する研究成果は、最近とくに高度化あるいは複雑化している最適化問題をより正確かつ高速に解くための基礎研究として学術的な意義がある。
意思決定支援プラットフォームの開発に関する研究成果は、上記の基礎研究の成果を実務家が実際に利用するために必要であり、企業の業績改善・業務効率化に役立つものと期待できる。

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2014-04-01 - 2019-03-31

【配分額】39,130千円 (直接経費: 30,100千円、間接経費: 9,030千円)

【研究分野】社会システム工学・安全システム

【研究領域課題番号】22710136 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

最適化 / オペレーションズ・リサーチ / 数理計画法 / モデリング / OR / 数理工学 / モデル化

【研究成果の概要】

対称錐計画法を利用して現実問題を解くため、典型的な現実問題を効率良く解くためのモデル化とアルゴリズムの開発を行なった。また、金融数値計算と数式処理を統合したモデリングツールを開発した。開発したQuantOnlineは、インターネットを利用した簡単なモデリングによりオンラインで計算できる。さらに、条件数に関する制約を含んだ行列近似問題などを効率良く解くアルゴリズムの開発に成功した。

【研究種目】若手研究(B)

【研究期間】2010-04-01 - 2014-03-31

【配分額】3,120千円 (直接経費: 2,400千円、間接経費: 720千円)

【研究分野】制御工学

【研究領域課題番号】19656103 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

システム理論 / 双対性 / モデル化 / 分野横断性 / 最適化 / 制御理論 / 相反変換 / 一般化KYP補題 / 構造解析 / ロバスト性 / 不確かさ

【研究成果の概要】

前年度に得られた双対性の横断的な理解を受け,本年度は次の4つに大別される成果をあげた.
(1)「変位と力」「ひずみと応力」という共役関係は,応用力学における双対性概念の代表例である.本研究では,この概念を自己双対錐と呼ばれる集合の上での共役関係に拡張することにより,「ギャップと反力」「膜に生じるしわと許容応力」などのより複雑な関係が双対性を通じて統一的にモデル化できることを明らかにした.このモデル化に基づき,接触問題の解の列挙手法や平面膜の釣合解析手法などの新たな数値手法を提案した.
(2)工学モデルは,物理パラメータなどの「数」と対称性などの「本質的な構造」という双対性概念を含むことが普通である.本研究では,「数値的なデータ」のみが与えられた状況において,行列のブロック対角化という「対称性に由来する本質的な構造」を抽出するための理論および数値手法を開発した.さらに,提案したブロック対角化手法を用いることで,半正定値計画問題などの「自己双対錐上の最適化問題」がより効率よく解けることを明らかにした.
(3)(2)で取り上げた対称性について,さらに,構造系の不安定現象という別の観点から考察した.つまり,「対称性の破れ」という抽象的な変化と「構造物の座屈」という工学的に重要な現象の2つを,群論的分岐理論という統一的な枠組を用いて研究し,その成果を2編の論文として国際誌に発表した.
(4)新たな設計手法への展開として,構造物のロバスト最適設計法に対して,半正定値計画法に基づく手法を提案した.特に,トラスと呼ばれる構造物の位相を最適化する問題が,連続変数と整数変数の双方を含む半正定値計画問題として厳密に定式化できることを示し,さらに主双対内点法を繰り返し用いることで大域的な最適解を得る手法を提案した.

【研究種目】萌芽研究

【研究期間】2007 - 2008

【配分額】3,300千円 (直接経費: 3,300千円)

【研究分野】社会システム工学・安全システム

【研究領域課題番号】18710139 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

都市解析 / 都市計画・建築計画 / 数理モデル / 最適化 / 施設配置 / モデル化 / アルゴリズム

【研究成果の概要】

交通網や都市施設の望ましい形態や配置を追求するための基礎的研究を行った.
特定の交通網がもつ特性を分析するために,その上での様々な移動に対し,移動の起・終点間の直線距離と,最短距離の直線距離に対する比の2変量に着目し,この同時分布を用いる方法を提案した.この比は移動の効率性を測る基礎的な指標であり,提案した同時分布を用いることで,移動距離に応じて移動効率がどのように変化するかを把握することができる.提案指標を用い,格子状網を有する仮想的な都市モデルを用いた分析を行った.正方形領域において,辺に平行な格子状網が存在するモデルと辺に45度で交わる格子状網が存在するモデルを用いて,同時分布を解析的に導くことに成功した.これにより,単純な比の分布のみからは分からない様々な情報を導いた.
都市施設の最適配置問題に,人々の時間軸上の行動や施設の開設時間帯を考慮した新たなモデルを提案した.就業者が帰宅途中に一定時間サービスを受ける場面を想定し,サービスを受けられる人数を最大化するように,サービス提供揚所とサービス時間帯を同時に決定する問題を提案した.連続平面やネットワーク空間での定式化を行い,様々な状況設定の下で具体的な数値例を用いて比較した.その結果,地点毎の最適なサービス開始時刻が異なる様子などを具体的に示し,配置場所のみを扱った既存モデルにはない新しい知見を得ることに成功した.さらに,時空間移動コスト(移動コストに待ち時間コストなどの時間コストを導入したもの)最小化問題など,このモデルを土台として展開可能な様々なバリエーションモデルについて検討した.

【研究種目】若手研究(B)

【研究期間】2006 - 2007

【配分額】1,400千円 (直接経費: 1,400千円)

【研究分野】統計科学

【研究領域課題番号】16200021 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

設計科学 / ディジタルエンジニアリング / 実験計画法 / 不確実性マネジメント / 科学の文法 / 品質管理 / 価値選択 / シミュレーション / シミュレーション工学 / 解析・評価 / 品質管理システム / 統計数学 / リスクマネジメント / モデル化 / Verification and Validation / 技術開発の文法 / 合わせこみ / 実験計画 / 最適化 / QFD / モデル選択

【研究成果の概要】

技術開発加速を目指した統計科学体系整備については、これまでの3年間の組織的研究活動で明確になった課題に対する理念的・統計数理的・情報技術的研究成果を国内外で発表する活動が行われた。平成19年8月には、椿、天坂、山田がアゾレス大学で開催された国際統計協会のサテライトシンポジウム「ビジネス・産業における統計」に招待され、それぞれ本研究班理念班、開発グループの研究成果を報告した。平成19年11月には、京都大学で開催された横断型基幹科学技術研究団体連合主催の第2回横幹コンファレンスを、科研費成果の最終報告会と位置づけ、1日のセッションを企画運営した。平成20年1月には、Springer社から本研究班の成果をとりまとめた査読付論文集 "The Grammar of Technology Development" を刊行した。更に、日本品質管理学会誌「品質」において、本科研費の活動成果の最終報告を特集し、理念班、開発グループ、ニーズ探索グループがその成果を報告する解説を平成20年1月に発行した。理念班は、完成させた「技術開発の文法」を統計メタウェアに発展させ、技術開発マネジメント分野、特にリスクマネジメント分野への適用も開始した。技術開発の文法理念は、平成19年6月に行われたISO TC69デンマーク総会において、ISO 3534-3(統計・確率用語)の実験計画用語国際規格改正原案の序章部分に取り込まれると共に、本科研費で構築した概念に沿った「技術開発支援のための統計的方法」標準化のための新SC設立提案を行い、その検討のためのWGが設置され椿が主査に指名され平成20年10月までに新SC設置の国際コンセンサスを得る活動を開始した。また、理念班は、支援情報システムの概念設計に必要な「インテリジェントシステム」の要件を発表し、昨年度採取したボルトネジ締結部破損データ数値解析支援ソフトウェア試作を(株)アドバンストソフトウェアに発注し、その整合性を検証した。この他、開発グループは、実験計画の文法や技術評価技法提唱を引き続き行い、感性に基づく価値選択や通信技術開発への統計科学適用のみならず、新たなコミュニケーション技術や音声認識技術開発への適用も発表された。

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2004 - 2007

【配分額】48,750千円 (直接経費: 37,500千円、間接経費: 11,250千円)