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京算百景Vol.15

〜合理的、経済的な防災・減災対策をめざして〜

大地震は人命にかかわるをもたらすだけでなく 、建物やインフラの損壊によって経済活動にも大きなダメージを与えます。東京大学地震研究所の堀さんたちのグループは、地震動が都市の地盤をどう揺らし、建物や社会基盤(インフラ)にどのような損害を与えるのか、さらに地震が津波を引き起こした際の人の避難行動までをシミュレートする研究に挑んでいます。「京」を活用することで都市全体の詳細な想定が可能になり、国や自治体が講じる効果的な防災・減災対策に役立てられることが期待されています。

[ インタビュアー ] 先生たちが現在進めている地震研究について教えてください。

[ 堀さん ]  地震に関する研究は大きく分けると、地震がどのように発生し、その後、地震動が地殻をどのように伝わっていくかをみる「理学的研究」(地震学)、地震動が地盤を揺らしその上に載っている建物をどう揺らすかをみる「工学的研究」(地震工学)、そして避難を含め地震に対応していく状況などをみる「社会科学的研究」の3つがあります。
 従来はそれぞれの研究やその手段としてのシミュレーションが個別に進められてきていました。しかし、地震と対応は3つの過程が連続した結果であり、これらのシミュレーションを円滑かつ効率的につなぎあわせて全貌を知る必要があります。それを「統合地震シミュレーション」と呼びます(図1)。この研究は10年ほど前に始めたものですが、その後次第に研究が発展し、現在はこの図のような姿になっています。

 シミュレーションには解析モデルが必要です。例えば工学的研究のシミュレーションでは、都市の複雑な地盤や建物一棟一棟の揺れを解析するために精緻な解析モデルを必要としますが、統合地震シミュレーションではこの解析モデルも自動構築します。都市の構造物のディジタル情報は整備が進んでいますので、その情報から対象とする地盤や建物の必要なデータを抽出し、解析モデルを作ることも統合地震シミュレーションの重要な要素です。完全に自動的ということではないですが、できるだけ人手をかけずに解析モデルを作るモジュールも実装されています。
 理学的研究と工学的研究のシミュレーションは、地殻・地盤・建物に対して、力と動きの関係、すなわちニュートンの運動方程式をいかに解くかに尽きます。細かい内部構造を持つ極めて大きな「物体」の運動方程式を正確に解くためには、従来の計算機の能力では不足であり、おおよその近似解をはじき出すしか方法がありませんでした。しかしスーパーコンピュータ「京」の登場により、大規模な数値計算を使って運動方程式を初めて正確に解けるようになり、都市の地震について正確なシミュレーションが実現したのです(図2)。

[ インタビュアー ] 都市の地震予測の手法について教えてください。

[ 堀さん ]  戦略プログラムの課題として、まず地盤については、粘土、砂、岩盤の3層に分けてモデル化し、原則10mのメッシュ(格子)に分割して計算を行いました。建物については、カーナビ用などに使われている都市のディジタル情報(地理情報システム)のデータをもとに建物1棟ずつを立体的にモデル化しました。この都市モデルを使って、1000とおりの大小さまざまな地震を想定し、どのような地震の場合にどのような揺れとが出るのかを計算しました。
 この計算にあたっては、「京」の能力を最大限に生かすための解析手法(動的非線形有限要素法)を新たに開発しました。この手法は、運動方程式を約1兆個の連立方程式に変換して解くものですが、そのための行列方程式を解く数理的手法(アルゴリズム)に工夫を加えたほか、密な格子と粗い格子を組合せて格子点を減らすマルチグリッド法などにより計算方法を洗練させ、計算速度を飛躍的に向上させることに成功しました。そして、「京」全体(全82,944ノード)を使って8時間計算することにより、東京地区の約10km四方の地盤振動解析を行うことができました。
 この研究は、世界的に優れた高性能計算(HPC)科学研究に贈られる「ゴードン・ベル賞」で2014年、2015年と2年連続して最終候補者に選ばれるなど、高い評価を得ることができました。

[ インタビュアー ] 都市予測の最新の成果について教えてください。

[ 堀さん ]  阪神淡路大震災を経験し、近い将来には南海トラフ地震の発生が高い確率で予測されている神戸市について、いま説明した手法を用いて、一般課題として地震推定のシミュレーションを行いました。
 神戸市との連携により、個々の建物の種類や築年数等のデータを活用し、より高度で詳細な都市モデルを作ることができました。そして、個々の構造物のを推定するという私たちの手法により、同程度の震度を受ける建物であっても建物と地盤の固有周期の違いに応じた異なる応答が生じ、の程度も違うということを示しました。
 これは、震度と率の統計的関係に基づいてを算定する従来の手法では得られない結果です。「京」のような計算機を使うシミュレーションによる予測は、今後の防災・減災対策に大きく役立つものと考えています。

[ インタビュアー ] 社会科学の研究についてはいかがでしょうか。

[ 堀さん ]  地震に伴って発生する津波から、いかに避難し、人的をどのように最小限に抑えるかは、減災・防災対策の中で重要なテーマです。
 南海トラフ地震に伴う津波による大きなの発生が懸念される高知市を対象に、「マルチエージェント・システム」という手法を用いて、現実に近い避難行動シミュレーションを戦略プログラム課題として行いました(コラム参照)。
 エージェント(避難者)は周囲30mほどをぐるっと見渡して、「道が通れなくなっているので回り道をしよう」とか、「避難誘導者に従おう」などの判断ができます(図3)。

 このようなシミュレーションは、「避難の際によく使われる、耐震補強の優先度が高い道路はどれか」、「津波避難の場所・施設はどこに設置すると効果的か」といった問いに答えることができます。また、ガレキによって遮断される道路を減らすことが、津波からの避難にどの程度効果があるのかを調べることもできます。すなわち、防災対策の有効性を定量的に把握し、経済性を考慮して適切な対策をとることができるようになります。

[ インタビュアー ] 「統合地震シミュレーション」は今後、どのようなことに役立つのでしょうか。

[ 堀さん ]  現在私たちは、地盤と建物の揺れに関する国レベルでの予測研究に協力しています。また、全国の大学と共同し、自治体レベルでの地震想定の研究も進めています。
 今後の大きな展望ですが、「京」やその後継機であるポスト「京」を使うことにより地盤と建物のシミュレーションが確立すると、共振現象を防ぐことができるようになります。共振とは、地盤の固有周期と一致した固有周期を持つ建物は揺れが増幅することです。あらかじめ地盤の固有周期を計算しておき、固有周期をずらす建物を作るようにすれば、

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、地震をより効率的に抑えることができます。また、建物は完成後時間が経つと固有周期が徐々に変化します。自動車に「車検」があるように、家には「家検」として固有周期や建物の耐震性を検証することが制度化できれば、さらに効率的な減災・防災につながると思われます。
 社会科学的研究も、災害対策を講じるうえで大きな効果をもたらす可能性を秘めています。都市ライフラインは、上下水道、電気・ガス、通信などのネットワークであり、主に地下に埋設されています。各種ライフラインの損壊箇所を地震直後に正確に予測し、技術者と利用者を模擬したエージェントを使って、どのライフラインを修理すると都市全体の復旧を加速できるかを考えることができます。ガレキ撤去などについても同様で、どのような計画で撤去すれば交通が円滑に流れるかをシミュレートできれば、産業面の迅速な復旧につながります。
 都市全体の地震を発生からまでシミュレートすることは、かつては夢物語でしたが、「京」の登場により、現実に近づきつつあります。ただし「京」では計算能力の限界から、災害・までと避難行動などの対応を別々に解析していました。しかし、ポスト「京」ではまさに統合地震シミュレーションが可能になり、より合理的で経済的な防災・減災対策に貢献できるものと考えています。

お忙しい中、取材にご協力をいただき、ありがとうございました。人命にも係わる地震災害という課題において、「京」を使ったスコープの大きな先端的研究が進められていることは驚きでした。今後のご活躍をお祈りいたします。

 コンピュータを使ったシミュレーションは、ある現象を予測・理解し、判断するために、現実の世界を数値モデルに置き換えて再現し、実験する手法です。その中で、堀さんたちが人間の行動をシミュレーションに組み入れるために用いるのがマルチエージェント・システムです。
 このシステムでは、人間に見立てた多数(マルチ)の行動主体(エージェント)が、与えられた環境を認知し、他のエージェントと情報をやりとりしながら、目的を果たすために自分がどのように動くべきかを自律的に判断できるように設定されています。これにより人の動きを視覚的に理解することができる点が、このシステムの大きな特長です。
 堀さんたちは、被災した都市における建物の配置という環境の中で避難者がどのような行動をとるかを研究していますが、そのほかに都市の自動車交通状況、投資行動などを含め、都市工学、経済学・経営学、社会心理学、社会学など幅広い分野でマルチエージェント・システムの研究が進められています。
 堀さんたちは、このマルチエージェント・システムに用いるエージェントの移動速度(歩行速度)などの行動データを、実際に地震が起こった時のビデオ画像データから収集することなどにより、客観性を重視しつつ研究を進めています。また、マルチエージェント・システムにおける解析方法の検証や現実への適用における妥当性評価(V&V: Verification and Validation)などの活動にも取り組んでいます。

【参考資料】(もう少し詳しく知りたい方のために)

  1. HPCIシステム利用研究課題 利用報告書
  2. 理化学研究所 計算科学研究機構 広報誌「計算科学の世界」
  3. 公益社団法人日本地震工学会、第6回「震災対策技術展」
    宮城セミナー 会場配布資料「命を守る津波避難のシミュレーション」
  4. 堀宗朗、宮嶋宙、犬飼洋平、小国健二、、「地震時避難行動予測のためのエージェントシミュレーション」
  5. HPCI戦略プログラム(分野3)のWebサイト
    (避難行動マルチエージェント・シミュレーションの動画あり)
  • 課題番号:hp150217(平成27年度)/戦略プログラム (分野3)
  • 利用資源量:約710万ノード時間積
  • 課題代表者:堀 宗朗
  • 課題名:都市全域の地震等自然災害シミュレーションに関する研究
  • 課題番号:hp150127(平成27年度)/「京」一般利用 (一般課題)
  • 利用資源量:約720万ノード時間積
  • 課題代表者:堀 宗朗
  • 課題名:多数地震シナリオを想定した神戸市の地震推定シミュレーション
イベント・広報
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