【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】反応工学・プロセスシステム

【研究領域課題番号】17H04964 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

医薬品製造 / プロセス設計 / スーパーストラクチャー / 数理モデル / シミュレーション / シングルユース / 連続生産 / iPS細胞 / バイオ医薬品 / 固形剤 / ソフトウェア / 社会実装 / 医薬品開発 / アルゴリズム / 意思決定 / ソフトウェア実装 / 多目的評価 / 注射剤 / ヒトiPS細胞 / 多目的意思決定 / モデル化 / 感度解析 / 多目的プロセス設計 / データ駆動型 / 化学工学 / プロセスシステム工学 / ソフトウエア

【研究成果の概要】

本研究では、医薬品製造プロセスの設計手法開発と、支援ツール実装に取り組んだ。バイオ医薬品注射剤の無菌充填プロセス（調製・ろ過滅菌・充填等）について、シングルユースとマルチユースの選択支援手法を構築し、ソフトウェアのプロトタイプ版をオンラインで公開した。固形製剤の製造プロセス（混合・造粒・乾燥・打錠等）について、連続生産も考慮したスーパーストラクチャを構築し、それに基づく設計手法と、ソフトウェアを開発した。iPS細胞の凍結プロセスについて、冷却温度プロファイルなどの設計変数を決定するモデルを構築し、設計に応用できるようにした。これらの成果を通じ、医薬品製造プロセス設計の体系化に貢献した。

【研究の社会的意義】

本研究成果の学術的意義は、医薬品製造プロセスの設計に関して、従来あいまいだった目的関数、設計変数、制約条件を定義し、これらを定量的に扱うための数理モデルを構築したうえで、新しい設計のアプローチを示した点にある。固形剤や注射剤、幹細胞などの幅広い対象で、構築したモデルや手法を応用したことで、構築したアプローチの有用性が示された。また、ソフトウェアツールとしての実装は、実際のプロセス設計への応用に大きく貢献するものである。本研究成果は、医薬品製造プロセスのより迅速な設計や、新薬の早期上市と高効率プロセスでの生産といった、様々な社会的意義を持つものである。

【研究種目】若手研究(A)

【研究期間】2017-04-01 - 2021-03-31

【配分額】18,330千円 (直接経費: 14,100千円、間接経費: 4,230千円)

【研究分野】システムゲノム科学

【研究領域課題番号】23651201 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

モデル化 / シミュレーション / 転写過程 / 散逸構造 / ゲノム科学

【研究成果の概要】

真核生物における転写過程において、転写を担うポリメレース(RNAPII)の流れをセルオートマトンで定式化し、流れの動的、熱力学的性質を調べた。その結果、RNAPIIのTSSへの入射のタイミングで表されるRNAPIIの相関、RNAPIIの領域毎の速度差で表されるクロマチン修飾等の経路の途中の障害物の大きさ、さらにはRNAPIIのジャンプ確率で表されるクロマチンのループの3次元空間位置に依存して、転写ファクトリーにおけるRNAPIIの流れの動的、熱力学的性質が大きく変化することをみいだした。

【研究種目】挑戦的萌芽研究

【研究期間】2011 - 2012

【配分額】3,770千円 (直接経費: 2,900千円、間接経費: 870千円)

【研究分野】経営学

【研究領域課題番号】23243057 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

ビジネスプロセス / モデル化 / IT投資 / モデリング / ひとのつながり / 交渉 / シミュレーション / 離散事象 / DEMO / 経営情報

【研究成果の概要】

本研究では、3つの方向からのアプローチした。飯島は、「調整的視座」からのBPM方法論DEMO注目して、基礎理論構築のための準備を行った。これにもとづき、DEMOモデルにもとづくシミュレーションを行うための変換について定式化した。末松は、ビジネスプロセス志向性の強化およびそのための実態把握と明示化を目的とする研究を行い、36組織の約100の会議について調査した結果、会議管理技術と企業のパフォーマンスの相関関係は非常に強いことを示した。妹尾は、組織科学と知識創造の観点からビジネスプロセスを分析するための変数の絞り込み、およびケース教材を開発するための事例選定とデータ収集を実施した。

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2011-04-01 - 2014-03-31

【配分額】30,420千円 (直接経費: 23,400千円、間接経費: 7,020千円)

【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】19201031 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

安全情報 / 環境整備 / リスク評価 / リスク発見 / 大規模複雑システム / モデル化 / 生命規範 / 事故・故障報告 / シナリオ共創 / シミュレーション / ネットワーク分析

【研究成果の概要】

大規模複雑システムに潜むリスク要因を発見するための方法論を確立し、社会に受容される安全なシステムを創成するために必要な共通基盤技術を創出することを目的に、「モデルからのリスク発見」、「生命規範からのリスク発見」、「経験からのリスク発見」、「シナリオ共創によるリスク発見」の4つのアプローチについて、リスク発見の要素技術となる手法を提案・確立して基本的なリスク発見ツールを開発した。

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2007 - 2009

【配分額】28,600千円 (直接経費: 22,000千円、間接経費: 6,600千円)

【研究分野】人類学

【研究領域課題番号】17687024 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

人類学 / 手指 / モデル化 / 筋骨格形態 / 筋骨格モデル / 3次元形態学 / 精密把握 / シミュレーション

【研究成果の概要】

本年は,アウストラロピテクス・アファレンシス中手骨の関節面形状分析と,手部精密骨格モデルによる把握シミュレーションを行った。アウストラロピテクスの骨標本には,東京大学総合研究博物館所蔵のAL333/333wのキャストを用いた。まず非接触3次元スキャナを用いて,一つ一つのキャストの3次元表面形状モデルを構築した。そして中手骨の各関節面を抽出し,二次曲面や平面で近似することにより,その3次元的形状の特徴を定量化し,比較した。その結果,アウストラロピテクスの第二中手骨は,相対的にヒトのそれと類似するのに対して,第一中手骨,特に近位関節面の形と向きは,チンパンジーのそれに類似していることが明らかとなった。こうした形態的特徴が,精密把握にどのよう影響を与えるのかを評価するために,解剖学的に精密なアウストラロピテクス手部骨格モデルを構築した。残念ながら遠位手根骨(大菱形骨,小菱形骨,有頭骨,有鈎骨)のうち,小菱形骨の化石が存在しないため,母指の向きと位置を定める上で重要な大菱形骨の配置を定めることはできないが,ここではチンパンジー新鮮屍体の手部3次元CT撮像データを参考に,それをできる限り正確に推定した。そして遠位手根骨に対して中手骨の位置と向きを定め,さらに前年度に確立した関節面分析手法により,中手骨と指骨(基節骨,中節骨,末節骨)をそれぞれ互いに関節させた。関節形態に規定される節の運動学的拘束を詳細に反映した本モデルを用いて,アウストラロピテクスのピンチ動作を再現した。その結果,母指と示指の指先で物体を把握することは可能であることが明らかとなった。しかし,第一中手骨近位関節面がチンパンジー的であるため母指対向性が相対的に弱く,アウストラロピテクスの精密把握能力は限定的であることが示唆された。

【研究種目】若手研究(A)

【研究期間】2005 - 2006

【配分額】11,180千円 (直接経費: 8,600千円、間接経費: 2,580千円)

【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)

【研究分野】機械工作・生産工学

【研究領域課題番号】13650126 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

ホロニック生産システム / モデル化 / シミュレーション / リアルタイムスケジューリング / 工程設計システム / 自律分散処理

【研究成果の概要】

本研究の成果をまとめると以下のようになる.
(1)金型プレート用工程設計システムの開発
金型用のプレート部品を対象とする工程設計システムを開発した.このシステムは,2次元CADデータを入力として,その穴加工に必要な加工法,工具,加工条件を選択するともに,工具経路の生成を行うものである.このシステムにより,CADデータから直接的にNCデータを作成することが可能である.
(2)スケジューリングシステムの開発
工程設計で得られた加工情報に基づいて,製品の加工スケジュールを設計するシステムの開発を行った.すなわち,加工対象製品に含まれる加工フィーチャの情報に基づいて,適切な加工フィーチャの加工順序と使用加工設備のシーケンスを決定する手法を開発した.このシステムを用いることで,使用加工設備の生産スケジュールを考慮した上で,最も適切な加工順序を加工設備のシーケンスを求めることが可能である.
(3)開発したシステムの評価
複数の具体的な部品に対して,上記のシステムを適用し,適切な加工工程および生産スケジュールを作成することが可能であることを確認した.
(4)以上の結果,ホロニック生産システムのような自律分散型の制御構造を持つ生産システムにおける工程設計および生産スケジューリングを統合化するために基本的方法論を間発することができたと考える

【研究種目】基盤研究(C)

【研究期間】2001 - 2002

【配分額】1,100千円 (直接経費: 1,100千円)

【研究分野】機械工作・生産工学

【研究領域課題番号】11650137 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

ホロニック生産システム / モデル化 / シミュレーション / リアルタイムスケジューリング / 工程設計システム / 自律分散処理 / 生産システム / ホロニック生産 / 自律分散 / モデルテンプレート / オブジェクト指向モデル

【研究成果の概要】

本研究の成果をまとめると,以下のようになる.
(1)ホロニック生産システムの基本構成を検討し,論理的な構成要素からなるシステムの基本構成を提案し,その運用方法,特にスケジューリングにおける生産設備の選択または割り当て方法について調査と分析を行った.
(2)機械加工を対象とする生産システムにおける自律的構成要素を検討し,オブジェクト指向の考え方に基づいてモデル化を行い,ホロニック生産システムにおける生産プロセスのシミュレーションを行うためのシステムを開発した.
(3)オブジェクト指向のシミュレーションシステムを用いて,自律型構成要素がリアルタイムに生産スケジュールを決定しながら生産プロセスを実行していくプロセスのシミュレーションを行った.
(4)階層分散型生産システムのスケジュール間の整合性を保持しながら,短い時間でリスケジューリングを行うことができるコンカレント・アプローチを提案した.
(5)オブジェクト指向言語Smalltalkを用いて,リスケジューリングシステムのプロトタイプを作成した.このシステムを3階層のリスケジューリング問題に適用した.
(6)加工フィーチャの持つ形状創成機能の情報に基づいて,その加工を実現することができる加工設備を選択し,加工時間を推定する手法を提案した.
(7)加工フィーチャの加工順序および加工設備のシーケンスを決定するために,遺伝的アルゴリズム(GA)および動的計画法(DP)を組み合わせた手法を提案した.この手法を用いることで,段取り時間を含む加工時間を小さくする適切な加工順序および加工設備のシーケンスを決定することができる.
(8)具体的な機械部品のプロダクトモデルを対象にケーススタディを行った結果,加工フィーチャとそれを創成することができる加工設備の組合せに基づいて,適切な加工順序と加工設備のシーケンスを自動的に求めることができた.これにより,ホロニック生産システムにおける工作物ホロンの工程設計機能を実現することができた.

【研究種目】基盤研究(C)

【研究期間】1999 - 2000

【配分額】3,600千円 (直接経費: 3,600千円)

【研究分野】情報システム学(含情報図書館学)

【研究領域課題番号】05680313 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

トラヒック / マルチメディア / ネットワーク / モデル化 / 性能評価 / 性能解析 / シミュレーション / 動画像 / ATM / スループット / 遅延 / セル廃棄 / バースト性 / 情報通信ネットワーク

【研究成果の概要】

平成5年度および6年度の研究成果を受けて、マルチメディア情報通信ネットワークのモデル化と性能評価に関して、解析とシミュレーションの有機的な活用をめざして研究を行った。まず解析に関しては、複数メディアからのトラヒックを共通に収容し、それぞれが要求する通信品質に応じた優先権を付与することにより円滑な送信を実現する通信ネットワークを、モデル化し、待ち行列理論に基づき送信遅延などの性能諸量を導出した。次にトラヒックに関する実測データからそれを数学モデルとして記述する方法を考察し、Hidden Markov Processに基づく方法を提案し、それを動画像トラヒックに適用し、有効性を確認した。従来の方法では、平均、分散などに基づきパラメータの決定を行っており、トラヒックにおける相関が考慮されていなかったが、本方法により、特に動画像において典型的に観測される長時間にわたる相関が数学モデルに反映される。一方シミュレーションに関しては、従来の通信ネットワークと比較し、マルチメディア情報ネットワークに顕著に現れるトラヒックにおける相関に関して考察を加えた。これまでのシミュレーションにおいては、入力トラヒックにおけるこの相関は殆ど考慮されず、ポアソン過程などでモデル化されてきたが、マルチメディア環境下での各トラヒックの通信品質を定量的に推測するにはより現実を正確にコンピュータ上に再現する乱数の発生法が必要となる。このためにTES(Transform Expand Sample)に基づき、相関のある入力トラヒックを自動生成する方法を考案し、特にMPEGにより符号化された動画像情報に適用した場合の有効性を検証した。

【研究種目】一般研究(C)

【研究期間】1993 - 1995

【配分額】1,900千円 (直接経費: 1,900千円)