【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)

【研究領域課題番号】20K21102 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

ヒトiPS細胞 / 凍結 / 解凍 / 計算化学 / プロセス設計 / シミュレーション / ハイブリッドモデリング / ライフサイクルアセスメント / iPS細胞 / 保護剤 / 環境影響評価 / 凍結プロセス / 最適化

【研究成果の概要】

本研究の目的は、iPS細胞凍結の課題に対して、分子・細胞・プロセスの各スケールで取り組み、成果を階層的につなげた「マルチスケール設計基盤」を構築することである。2年目の2021年度は、遂行項目①「新規保護剤の探索」、項目②「多細胞凍結モデル構築」、項目③「冷却装置モデル構築」に取り組んだ。「新規保護剤の探索」については、初年度に、量子化学・分子動力学計算による有望化合物の特定に取り組み、論文発表した。また、ライフサイクルアセスメント（LCA）を用いた環境影響評価も実施した。本年度は、LCAに関する分析モデルと結果を見直しつつ、論文投稿準備を進めた。「多細胞凍結モデル構築」については、初年度に、生存率・所要時間を多目的に最適化する非線形温度プロファイルを特定し、論文発表した。今年度は、この成果をもとに実験的検討に取り組んだ。さらに、凍結保存プロセス全体を扱う充填・解凍プロセスモデルについて成果をまとめ、論文をComputers and Chemical Engineering誌で発表した。「冷却装置モデル構築」については、初年度から取り組んできた、数値流体力学（CFD）を用いたシミュレーションモデル構築とプロセス設計への応用について、成果まとめて論文投稿した。さらに、凍結保存プロセスを一要素とするサプライチェーン全体に研究を展開した。エージェントベーストモデル（ABM）を用いて治療対象者個々の状態をモデル化し、さらに製造に関する費用対効果を評価できるようにした。これにより、対象疾病ごとに最適拠点配置が変わることを明らかにした。成果をまとめた論文は、Chemical Engineering Research and Design誌に発表した。

【研究種目】挑戦的研究(萌芽)

【研究期間】2020-07-30 - 2023-03-31

【配分額】6,500千円 (直接経費: 5,000千円、間接経費: 1,500千円)

【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】17H02043 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

農産物流通 / サプライチェーンマネジメント / 数理最適化 / 情報共有システム / シミュレーション / 最適化モデル / 対話型情報システム / 全体最適化 / 利益分配 / 安心・安全・信頼 / 数理モデリング / 最適化 / 対話型販売システム / 農産物サプライチェーン / 地産地消 / 不確実性 / 農産物サプライチェーンマネジメント / 産直流通 / 農産物サプライチェーンモデル / 不確実性下での意思決定

【研究成果の概要】

就農者の経営安定を主眼に起きながら，小売業の収益安定，消費者の食材購入満足度も満たすことができる農産物サプライチェーンマネジメントを研究対象とした．特に，就農者が直近の集荷場に農産物を納品し，そこから物流の最適化を行ったうえで，消費者の需要に合わせた小売店や飲食店への食材配送を行う『産直流通モデル』を構築し，数理最適化・シミュレーションの側面から提案モデルの評価・分析を行い，農産物の地産地消へ向けた応用が十分可能であることを示した．さらに，道の駅などでの実証研究を通して，就農者と消費者の間で対話を促すことで，納得した農産物売買が可能な情報共有システムを開発した．

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2017-04-01 - 2021-03-31

【配分額】17,550千円 (直接経費: 13,500千円、間接経費: 4,050千円)

【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】17H02035 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

社会システム / シミュレーション / 最適化 / エージェントモデル / 参加型エージェントモデル / データ同化モデル / モデルベース / 感染症 / ゲーミング / パラメータ推定 / データ同化 / 政策効果 / 逆強化学習 / 社会経済制度設計

【研究成果の概要】

参加型シミュレーション研究を通して、人間の合理的な意思決定や習慣的な行動、予期せぬ判断など、さまざまは要因が社会システムモデルには重要であることが分析された。これらの研究が進んできた2020年初頭に、新型コロナウイルスが発生し、緊急事態宣言が発出される事態となった。この状況に対して、エージェントベース医療政策ゲーミング&シミュレーションをベースに、新型コロナウイルス感染症に対する感染症政策モデルを構築し、人間行動や政策による影響予測を行った。

【研究の社会的意義】

本モデルの構築手法開発によって、地域における精度の高い感染者予測が可能となり、例えば新型コロナ感染において、札幌市と東京都での推定を行った結果では、1.2人/日という高い予測精度を示すことができた。このモデルを用いて、札幌市への流入リスクの影響を分析し、夏以降の流入者数を制限できていれば，11月の感染拡大は半分以下に抑えることができた可能性があることを示した。また、東京近郊市街地を対象とした個体ベースモデルから得た感染予防策の実効再生産数減少率を用い、飲食店の時短強化よりも飛沫防止策の徹底やテレワーク、イベント制限などとの総合的な対策が大きな効果を示すことを明らかにした。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2017-04-01 - 2022-03-31

【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】ソフトコンピューティング

【研究領域課題番号】25870915 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

知能情報学 / 確率過程 / ソフトコンピューティング / シミュレーション / ベイズ統計学 / 探索アルゴリズム / 最適化 / ベイズ統計 / 機械学習

【研究成果の概要】

昆虫は時々やってくるフェロモンを頼りにフェロモン源に到達できる．特にカイコガのオスは，視力が弱いにもかかわらずフェロモンを頼りにしてメスの場所を効率的に探索する．本研究では，フェロモン源を探索する過程を模倣したアルゴリズムを開発した．フェロモンについての探索者の観測を確率過程 (点過程) としてモデル化し，ベイズ統計を用いることによりフェロモン源の位置を推定するアルゴリズムを開発した．そして，フェロモン飛散のシミュレーションを行うことで探索アルゴリズムの性能を評価した．また，点過程モデリング技術を用いてWebコンテンツの将来のアクセス数を予測する手法を開発した．

【研究種目】若手研究(B)

【研究期間】2013-04-01 - 2017-03-31

【配分額】4,160千円 (直接経費: 3,200千円、間接経費: 960千円)

【研究分野】森林科学

【研究領域課題番号】24780142 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

シミュレーション / 資源予測 / 林業収益 / 労働量 / 素材生産 / 最適化 / 安定性 / リモートセンシング / 成長予測 / 現況把握 / 胸高直径 / 樹高 / 林業経営 / 意思決定 / 森林管理 / 林業経営収支予測 / 地理情報システム / 人工林 / 持続可能性 / 収益性 / 炭素蓄積 / 公益性 / 森林計測 / 森林計画 / 三次元計測 / モニタリング

【研究成果の概要】

本研究は、リモートセンシング等から得られた森林の現況をもとに、成長モデルを組み合わせることによって、長期的な資源シミュレーションを行うことを可能とした。その結果、多様な森林管理に応じた労働量、材積、林業収益などを試算することが可能となった。また、これらのシミュレーションが地域の森林管理に応用できる可能性についても検討した。

【研究種目】若手研究(B)

【研究期間】2012-04-01 - 2016-03-31

【配分額】4,550千円 (直接経費: 3,500千円、間接経費: 1,050千円)

【研究分野】船舶海洋工学

【研究領域課題番号】20360387 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

海上輸送システム / リスク / シミュレーション / 最適化 / 海上物流 / 安定供給 / 資源輸送 / 滞船 / 資源物流 / リスク評価 / 鉄鉱石 / 船舶

【研究成果の概要】

資源エネルギー・セキュリティを検討することを目的に,鉄鋼石を対象にして,産地港から日本の主要製鉄所に輸送する鉱石運搬船等をモデル化した離散型時間発展的シミュレータを開発した.輸送コストと備蓄量から算出する枯渇リスクを用いて,航路や船団構成を評価することが可能になった.産地と製鉄所を往復するシャトル輸送に,日・豪・南米・欧州を巡るコンビネーション輸送を3割程度取り入れる航路や船団が最適であることが判明した.

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2008 - 2010

【配分額】18,590千円 (直接経費: 14,300千円、間接経費: 4,290千円)

【研究分野】スポーツ科学

【研究領域課題番号】18650175 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

水泳 / シミュレーション / 筋骨格モデル / 遺伝的アルゴリズム / 最適化 / スポーツ工学 / 流体力学 / 遺伝子アルゴリズム

【研究成果の概要】

1. 一昨年度構築した,泳者の全身運動および骨格筋の筋活動状態を測定する測定システムを用い,3名の一流大学スイマーの被験者について実験を行った.
2. 昨年度開発した,測定された全身運動データを筋骨格シミュレータへの入力データに変換するアルゴリズムを用い,測定データをシミュレータに入力し,筋骨格シミュレーションを行った.
3. シミュレータによる解析結果と,実験により測定した筋活動状態を比較した結果,平泳ぎにおいては全身の主要筋の筋力発揮タイミングがシミュレーションと実験で良く一致する傾向が得られた.ただし,下肢のキックにおける引きつけ時や,バタフライにおけるダウンキックにおいて,両者がやや異なる傾向を示した.これは関節の受動抵抗がモデル化されていなかったためであることが判明した.
4. 上記の問題点に対し,シミュレータに関節の受動抵抗のモデルを組み入れる改良を施したところ,改良したシミュレータによる解析結果は実験結果とより良く一致し,シミュレータの改良の妥当性が示された.
5. 改良された筋骨格シミュレータを用いて,自由形(クロール)における上肢運動の関節角の範囲において,各筋が発揮しうる筋力から,関節トルク特性を算出した.そして上記の関節トルク特性を,水泳力学シミュレータに組み入れ,さらに最適化をGA(Genetic Algorithm)で行う,統合シミュレータを開発した.
6. 開発した統合シミュレータを用いて,自由形における最速泳フォームを求めた.その結果,比較的現在の競泳におけるフォームに近い結果が得られた.筋力発揮特性まで考慮し,最適化計算により最速フォームを求めることに成功したのは世界初の画期的な成果である.
7. 以上までの内容について,1件の雑誌論文にその成果が掲載され,1件の国内会議で講演発表を行った.

【研究種目】萌芽研究

【研究期間】2006 - 2008

【配分額】3,300千円 (直接経費: 3,300千円)

【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】物性一般(含基礎論)

【研究領域課題番号】09640459 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

最適化問題 / 量子効果 / 画像修復 / 量適化問題 / シミュレーション / 最適化

【研究成果の概要】

シミュレーテッドアニーリングは、組み合わせ最適化問題における近似解法として広く普及している。シミュレーテッドアニーリングにおいては温度を適切に制御することにより状態を徐々に最適な方向に持っていく。本研究においては、状態間の繊維のメカニズムとして、温度の変わりに量子揺らぎを用いてより高速な最適解の探索の方法を確立し、巡回セールスマン問題に応用した。さらに、その成果を使って量子揺らぎによる画像処理技法の最適化にも新しい視点を導入した。
横磁場のあるイジング模型の基底状態における系の様々な性質は、横磁場のない有限温度の性質に類似した側面を持っている。そこで、平衡系の性質のみならずシミュレーテッドアニーリングのような動的な課題に対しても、横磁場が温度と同等以上の役割を果たすと期待することができる。実際、横磁場を時間の関数として変化させたイジング模型の基底状態を時間依存シュレディンガー方程式の数値解や量子モンテカルロ法で計算したところ、相互作用の形態に依存せずに常に横磁場による量子揺らぎを利用した量子アニーリングの方が温度揺らぎを利用した従来の方法より正しい基底状態に確実に到達することが明らかになった。この成果を、典型的な最適化問題である巡回セールスマン問題と、確率的なプロセスを用いた画像修復に適用し、良好な結果を得た。特に後者では、温度制御と量子効果の導入を適切に組み合わせることによりハイパーパラメータの推定誤差に対して安定な修復が可能となることが示された。

【研究種目】基盤研究(C)

【研究期間】1997 - 1999

【配分額】2,800千円 (直接経費: 2,800千円)

【研究分野】設計工学・機械要素・トライボロジー

【研究領域課題番号】08405015 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

先導設計 / マイクロファクトリ / マイクロ旋盤 / マイクロマシン / シミュレーテッド・アニーリング / 設計工学 / 様式 / 最適化 / 設計自由度 / 設計制約 / マイクロカテーテル / マイクロマニピュレータ / マイクロモータ / 小型減速機 / 協調作業システム / 旋盤 / シミュレーション / モーター / 軸受け

【研究成果の概要】

本研究では先導設計の新たな手法を提示し,それを用いた先導設計支援システムを試作した。試作したシステムにおいてマイクロ旋盤を対象とした先導設計を行い,旋盤のマイクロ化の開発指針を示した。また,先導設計手法のマイクロファクトリへの展開を試み,問題点の抽出と新たな概念の提示を行った。
先導設計とは,新規性の高い対象の設計・開発において,未開発の技術要素も使用できると仮定して設計を進める手法であり,対象の実現に向けた要素技術開発の指針を与えることができる。ここでは定量的情報のみを扱う基本設計段階を対象として,最適化計算手法を用いた先導設計支援システムを構築した。最適化にはシミュレーテッド・アニーリング法を採用した。評価関数には開発難易度を設定することで,目標とする性能仕様を実現するための要素技術開発コストを最小とするような設計解を示す事ができる。
先導設計対象として,まず既存技術要素からなるマイクロ旋盤を試作し,その性能評価を行った。その設計情報および性能評価データをベースにして,先に構築したシステムを用いた先導設計を行い,更なるマイクロ化への要素技術の開発目標値を示すことができた。
単体機器であるマイクロ旋盤から,マイクロファクトリシステム全体の設計へ先導設計を展開しようとすると,設計自由度の大きさ,あるいはファクトリの機器構成や技術要素の組合わせのバリエーションに対し,最適化計算手法の適用は難しい。そこで,システムを構成する要素機器の組み合わせや,様々な形態という“様式"決定レベルでの検討が必要であることが分かった。様式を表現するものとして,“観点"という変数群と,その属性値としての“特性"を導入し,様式の新たなとらえ方を提示した。また,マイクロファクトリの様式に関わるいくつかの具体的観点についてネットワークの構成を行った。

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】1996 - 1998

【配分額】17,100千円 (直接経費: 17,100千円)

【研究分野】環境保全

【研究領域課題番号】06680530 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

生物学的リン除去 / 嫌気好気活性汚泥法 / シミュレーション / 最適化 / IAWQ活性汚泥モデル / 活性汚泥モデル / 嫌気好気法 / 数学的モデリング

【研究成果の概要】

実用的なリン除去技術への要望はいまや全世界的であるのに、生物学的リン除去法はこの方法自体が本来持っている優れた能力に見合うほど使われていないのが実情であった。本研究では、現在利用可能な微生物学的知見と数学的モデリングの手法を組み合わせて、嫌気好気法による生物学的リン除去プロセスの設計・制御を最適化するための基本モデルを開発し、その応用手法の確立を目的とした研究を行った。
モデル定数の同定のために行った実験的研究では、有機物代謝反応の律速になることが多い加水分解反応の速度に対する嫌気・無酸素・好気条件の影響を定量的に検討し、好気条件に比べ嫌気・無酸素条件では加水分解酵素の生産速度が低下すること、そのため加水分解速度も低下することを明らかにした。
一方、リン除去モデルの構築とキャリブレーションに関しては、まず既存モデル(IAWQ活性汚泥モデルNo.2)に対し、リン蓄積微生物への脱窒能力およびグリコーゲン蓄積能力の導入を検討し最終的に前者を導入することとした。この脱窒付加モデルをベースに日本の2つの下水処理プラント運転データを用いたキャリブレーションを行い、その手順を確立した。さらに、既存データを用いたシミュレーションや感度解析を通して、本研究で完成したモデルの挙動の特性と実際のプロセスの特性を比較した。
なお、モデルを用いての生物学的リン除去プロセスの設計・運転管理に関する指針のとりまとめは、当初は予定していたが充分な検討ができなかった。

【研究種目】一般研究(C)

【研究期間】1994 - 1995

【配分額】2,200千円 (直接経費: 2,200千円)