Supercomputed dataによる物理的地震被害推定人工知能構築手法開発

• 研究課題/領域番号: 18K18873
• 研究種目: 挑戦的研究(萌芽)
• 配分区分: 基金
• 審査区分: 中区分22:土木工学およびその関連分野
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 市村 強 東京大学, 地震研究所, 教授 (20333833)
• 研究期間 (年度): 2018-06-29 – 2022-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2021年度)
• 配分額: 5,980千円 (直接経費: 4,600千円、間接経費: 1,380千円); 2020年度: 1,300千円 (直接経費: 1,000千円、間接経費: 300千円); 2019年度: 3,770千円 (直接経費: 2,900千円、間接経費: 870千円); 2018年度: 910千円 (直接経費: 700千円、間接経費: 210千円)
• キーワード: 人工知能 / 地震被害推定 / 大規模解析

研究成果の概要

地震被害軽減を目指す上で，地震被害推定の信頼性向上が必要とされ，多くの試みがなされている．高詳細モデルを用いた地震シミュレーションにおいて解析コストは大きく，この軽減が必要とされている．本研究課題では，大規模な数値シミュレーション結果（Supercomputed data）と物理的考察を踏まえた学習により，地震被害推定のための効率的な人工知能構築手法を開発し，適用例によりその有効性を示した．

研究成果の学術的意義や社会的意義

このような解析コスト削減の実現は，高速な即時地震被害想定や，多数シナリオを考慮した事前震災対策用想定への貢献が期待される．また，物理的考察を踏まえた人工知能化により，従来のequation-based modelingによる解析を，昨今の高演算密度に適した計算機アーキテクチャに親和性の高い演算へシフトすることで解析コストの低減を実現できることを示す等，equation-based modelingとdata-science的な手法の融合の可能性を示す結果となっている．

研究成果

• [雑誌論文] 152K-computer-node parallel scalable implicit solver for dynamic nonlinear earthquake simulation (2022)
  • 著者名/発表者名: Ichimura Tsuyoshi、Fujita Kohei、Koyama Kentaro、Kusakabe Ryota、Kikuchi Yuma、Hori Takane、Hori Muneo、Maddegedara Lalith、Ohi Noriyuki、Nishiki Tatsuo、Inoue Hikaru、Minami Kazuo、Nishizawa Seiya、Tsuji Miwako、Ueda Naonori
  • 雑誌名: HPCAsia2022: International Conference on High Performance Computing in Asia-Pacific Region 巻: 2022 ページ: 18-29
  • DOI: 10.1145/3492805.3492814
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Large-Scale Stabilized Multi-physics Earthquake Simulation for Digital Twin (2021)
  • 著者名/発表者名: Kusakabe Ryota、Ichimura Tsuyoshi、Fujita Kohei、Hori Muneo、Wijerathne Lalith
  • 雑誌名: Lecture Notes in Computer Science 巻: 2021 ページ: 3-15
  • DOI: 10.1007/978-3-030-77964-1_1
  • ISBN: 9783030779634, 9783030779641
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Fast scalable implicit solver with convergence of equation-based modeling and data-driven learning (2021)
  • 著者名/発表者名: Ichimura Tsuyoshi、Fujita Kohei、Koyama Kentaro、Kikuchi Yuma、Kusakabe Ryota、Minami Kazuo、Inoue Hikaru、Nishizawa Seiya、Tsuji Miwako、Nishiki Tatsuo、Hori Muneo、Maddegedara Lalith、Ueda Naonori
  • 雑誌名: PASC '21: Proceedings of the Platform for Advanced Scientific Computing Conference 巻: 2021 ページ: 1-12
  • DOI: 10.1145/3468267.3470616
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] High-fidelity nonlinear low-order unstructured implicit finite-element seismic simulation of important structures by accelerated element-by-element method (2021)
  • 著者名/発表者名: Fujita Kohei、Koyama Kentaro、Minami Kazuo、Inoue Hikaru、Nishizawa Seiya、Tsuji Miwako、Nishiki Tatsuo、Ichimura Tsuyoshi、Hori Muneo、Maddegedara Lalith
  • 雑誌名: Journal of Computational Science 巻: 49 ページ: 101277-101277
  • DOI: 10.1016/j.jocs.2020.101277
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] GPU porting of scalable implicit solver with Green’s function-based neural networks by OpenACC (2021)
  • 著者名/発表者名: Kohei Fujita, Yuma Kikuchi, Tsuyoshi Ichimura, Muneo Hori, Lalith Maddegedara, and Naonori Ueda
  • 雑誌名: Proceedings of Eighth Workshop on Accelerator Programming Using Directives 巻: 2021 ページ: 1-10
  • 査読あり
• [雑誌論文] Low-Order Finite Element Solver with Small Matrix-Matrix Multiplication Accelerated by AI-Specific Hardware for Crustal Deformation Computation (2020)
  • 著者名/発表者名: Yamaguchi Takuma、Fujita Kohei、Ichimura Tsuyoshi、Naruse Akira、Wells Jack C.、Zimmer Christopher J.、Straatsma Tjerk P.、Hori Muneo、Maddegedara Lalith、Ueda Naonori
  • 雑誌名: Proceedings of the Platform for Advanced Scientific Computing Conference 巻: 1 ページ: 16-16
  • DOI: 10.1145/3394277.3401860
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Data-Driven Approach to Inversion Analysis of Three-Dimensional Inner Soil Structure via Wave Propagation Analysis (2020)
  • 著者名/発表者名: Yamaguchi Takuma、Ichimura Tsuyoshi、Fujita Kohei、Hori Muneo、Wijerathne Lalith、Ueda Naonori
  • 雑誌名: Lecture Notes in Computer Science 巻: 12139 ページ: 3-17
  • DOI: 10.1007/978-3-030-50420-5_1
  • ISBN: 9783030504199, 9783030504205
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] A Fast Scalable Iterative Implicit Solver with Green’s function-based Neural Networks (2020)
  • 著者名/発表者名: Ichimura Tsuyoshi、Fujita Kohei、Hori Muneo、Maddegedara Lalith、Ueda Naonori、Kikuchi Yuma
  • 雑誌名: 2020 IEEE/ACM 11th Workshop on Latest Advances in Scalable Algorithms for Large-Scale Systems (ScalA) 巻: 1 ページ: 61-68
  • DOI: 10.1109/scala51936.2020.00013
  • 査読あり
• [雑誌論文] Development of regional simulation of seismic ground‐motion and induced liquefaction enhanced by GPU computing (2020)
  • 著者名/発表者名: Kusakabe Ryota、Fujita Kohei、Ichimura Tsuyoshi、Yamaguchi Takuma、Hori Muneo、Wijerathne Lalith
  • 雑誌名: Earthquake Engineering & Structural Dynamics 巻: 50 号: 1 ページ: 197-213
  • DOI: 10.1002/eqe.3369
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] 416-PFLOPS Fast Scalable Implicit Solver on Low-Ordered Unstructured Finite Elements Accelerated by 1.10-ExaFLOPS Kernel with Reformulated AI-Like Algorithm: For Equation-Based Earthquake Modeling (2019)
  • 著者名/発表者名: Tsuyoshi Ichimura*, Kohei Fujita, Takuma Yamaguchi, Akira Naruse, Jack C. Wells, Christopher J. Zimmer, Tjerk P. Straatsma, Takane Hori, Simone Puel, Thorsten W. Becker, Muneo Hori, Naonori Ueda
  • 雑誌名: SC19: The International Conference for High Performance Computing, Networking, Storage, and Analysis 巻: -
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Development of Element-by-Element Kernel Algorithms in Unstructured Implicit Low-Order Finite-Element Earthquake Simulation for Many-Core Wide-SIMD CPUs (2019)
  • 著者名/発表者名: Fujita Kohei、Horikoshi Masashi、Ichimura Tsuyoshi、Meadows Larry、Nakajima Kengo、Hori Muneo、Maddegedara Lalith
  • 雑誌名: Lecture Notes in Computer Science 巻: - ページ: 267-280
  • DOI: 10.1007/978-3-030-22734-0_20
  • ISBN: 9783030227333, 9783030227340
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] A finite element analysis method for simulating seismic soil liquefaction based on a large-scale 3D soil structure model (2019)
  • 著者名/発表者名: Kusakabe Ryota、Ichimura Tsuyoshi、Fujita Kohei、Hori Muneo、Wijerathne Lalith
  • 雑誌名: Soil Dynamics and Earthquake Engineering 巻: 123 ページ: 64-74
  • DOI: 10.1016/j.soildyn.2019.04.021
  • 査読あり
• [雑誌論文] A Fast 3D Finite-Element Solver for Large-Scale Seismic Soil Liquefaction Analysis (2019)
  • 著者名/発表者名: Kusakabe Ryota、Fujita Kohei、Ichimura Tsuyoshi、Hori Muneo、Wijerathne Lalith
  • 雑誌名: Lecture Notes in Computer Science 巻: - ページ: 349-362
  • DOI: 10.1007/978-3-030-22741-8_25
  • ISBN: 9783030227401, 9783030227418
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Heuristic Optimization with CPU-GPU Heterogeneous Wave Computing for Estimating Three-Dimensional Inner Structure (2019)
  • 著者名/発表者名: Yamaguchi Takuma、Ichimura Tsuyoshi、Fujita Kohei、Hori Muneo、Wijerathne Lalith
  • 雑誌名: Lecture Notes in Computer Science 巻: - ページ: 389-401
  • DOI: 10.1007/978-3-030-22741-8_28
  • ISBN: 9783030227401, 9783030227418
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Matched Filtering Accelerated by Tensor Cores on Volta GPUs With Improved Accuracy Using Half-Precision Variables (2019)
  • 著者名/発表者名: Yamaguchi Takuma、Ichimura Tsuyoshi、Fujita Kohei、Kato Aitaro、Nakagawa Shigeki
  • 雑誌名: IEEE Signal Processing Letters 巻: 26 号: 12 ページ: 1857-1861
  • DOI: 10.1109/lsp.2019.2951305
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] GPU Implementation of a Sophisticated Implicit Low-Order Finite Element Solver with FP21-32-64 Computation Using OpenACC (2019)
  • 著者名/発表者名: Takuma Yamaguchi*, Kohei Fujita, Tsuyoshi Ichimura, Akira Naruse, Maddegedara Lalith, Muneo Hori
  • 雑誌名: Proceedings of Sixth Workshop on Accelerator Programming Using Directives 巻: -
  • 査読あり
• [雑誌論文] A point-estimate based method for soil amplification estimation using high resolution model under uncertainty of stratum boundary geometry (2019)
  • 著者名/発表者名: Iiyama Kahori、Yoshiyuki Atsushi、Fujita Kohei、Ichimura Tsuyoshi、Morikawa Hitoshi、Hori Muneo
  • 雑誌名: Soil Dynamics and Earthquake Engineering 巻: - ページ: 480-490
  • DOI: 10.1016/j.soildyn.2018.11.028
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] A Fast Scalable Implicit Solver for Nonlinear Time-Evolution Earthquake City Problem on Low-Ordered Unstructured Finite Elements with Artificial Intelligence and Transprecision Computing (2018)
  • 著者名/発表者名: Ichimura Tsuyoshi、Fujita Kohei、Yamaguchi Takuma、Naruse Akira、Wells Jack C.、Schulthess Thomas C.、Straatsma Tjerk P.、Zimmer Christopher J.、Martinasso Maxime、Nakajima Kengo、Hori Muneo、Maddegedara Lalith
  • 雑誌名: Proceedings of the International Conference for High Performance Computing, Networking, Storage, and Analysis 巻: - ページ: 627-637
  • DOI: 10.1109/sc.2018.00052
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [学会発表] Improving analytical capabilities through big data & extreme‐scale computing, Invited lecture (2022)
  • 著者名/発表者名: Tsuyoshi Ichimura
  • 学会等名: The 7th Symposium on Theoretical and Applied Mechanics -- Toward Further Development o f Mechanics --
  • 招待講演
• [学会発表] Large-scale earthquake simulation with supercomputing and data-learning (2021)
  • 著者名/発表者名: 市村強
  • 学会等名: Japan Geoscience Union Meeting
  • 招待講演
• [学会発表] スーパーコンピューティングとデータ学習による大規模地震シミュレーション (2021)
  • 著者名/発表者名: 市村強
  • 学会等名: 第10回 JCAHPCセミナー
  • 招待講演
• [学会発表] Earthquake simulation with nonlinear wave propagation analysis on low-order unstructured finite elements enhanced by fast scalable implicit matrix solver (2021)
  • 著者名/発表者名: Tsuyoshi Ichimura
  • 学会等名: IUTAM SYMPOSIUM Computational methods for large-scale and complex wave problems
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] スケーラブルかつ高速なデータ駆動型大規模物理シミュレーション (2021)
  • 著者名/発表者名: 市村強
  • 学会等名: VIDIA秋のHPC Weeks
  • 招待講演
• [学会発表] High Performance Computingによる物理シミュレーションと人工知能の融合へ向けて (2019)
  • 著者名/発表者名: 市村 強
  • 学会等名: GPU Computing Workshop for Advanced Manufacturing 2019
  • 招待講演
• [学会発表] 高性能計算物理シミュレーションと人工知能の融合による地震シミュレーションの高度化 (2019)
  • 著者名/発表者名: 市村 強
  • 学会等名: 土木学会第19回地震災害マネジメントセミナー
  • 招待講演
• [学会発表] Development of high-performance low order unstructured implicit finite-element solvers for solid earth science problems (2019)
  • 著者名/発表者名: Kohei Fujita, Tsuyoshi Ichimura, Takuma Yamaguchi
  • 学会等名: JpGU Meeting 2019
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] GPU による3 次元有限要素解析の高速化と構造最適化問題への適用 (2018)
  • 著者名/発表者名: 山口拓真，藤田航平，市村強，堀宗朗，ラリスウィジャラトネ
  • 学会等名: 第15回日本地震工学シンポジウム
• [備考] 東京大学地震研究所 計算地球科学研究センター
  • URL: https://www.eri.u-tokyo.ac.jp/ceseri/index.html
• [備考] 東京大学地震研究所計算科学・高性能計算研究室
  • URL: https://www.eri.u-tokyo.ac.jp/cshpc/