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無限次元最適化問題のアルゴリズム開発と交通・経済モデルへの応用

研究課題

研究課題/領域番号 19K11836
研究種目

基盤研究(C)

配分区分基金
応募区分一般
審査区分 小区分60020:数理情報学関連
研究機関法政大学 (2020-2023)
東北大学 (2019)

研究代表者

林 俊介  法政大学, 理工学部, 教授 (20444482)

研究期間 (年度) 2019-04-01 – 2025-03-31
研究課題ステータス 交付 (2023年度)
配分額 *注記
4,160千円 (直接経費: 3,200千円、間接経費: 960千円)
2022年度: 1,040千円 (直接経費: 800千円、間接経費: 240千円)
2021年度: 1,040千円 (直接経費: 800千円、間接経費: 240千円)
2020年度: 1,040千円 (直接経費: 800千円、間接経費: 240千円)
2019年度: 1,040千円 (直接経費: 800千円、間接経費: 240千円)
キーワード最適化 / 数理工学 / 均衡問題 / 都市経済モデル / 交通モデル / インフラ最適化 / 情報基礎 / アルゴリズム
研究開始時の研究の概要

本研究課題は無限次元最適化問題に対するアルゴリズム開発・数理的解析を目指したものである.しかしながら,既存の理論面に重点を置いた研究とは一線を画し,交通工学や都市経済学における具体的なモデルに対する応用が念頭に置かれたものである.実際,無限次元とはいっても,これらのモデルに現れる最適化問題の多くは時空間上で定義される関数を変数としたものである.これらの問題に対して,共通の本質的な構造を抽出しながら,その特殊な構造を活かしたアルゴリズムの開発を目指す.

研究実績の概要

令和5年度の成果として,都市経済モデルに対する最適化手法の適用および既存モデルの拡張が挙げられる.

多くの都市では中心部に商業施設などが集積する都心が形成され,都市規模によっては都心から少し離れたところに副都心が形成されることがある.例えば,東京ならば銀座・丸の内周辺に都心が形成され,少し離れた渋谷・新宿・池袋に副都心が形成されている.また,もっと離れたところに目を向けてみると,吉祥寺・立川・八王子・町田といったより小規模の経済圏がある程度の間隔で形成されている.このように,都市は空間上に均一に分布するのではなく,不均一にかつ数か所に集積しながら分布している.その集積がどのようなメカニズムで起こるのか,またどのような集積パターンが形成されるのかを理論的に解明すべく提案された数理モデルの一つがFujita-Ogawaモデルである.

Fujita-Ogawaモデルでは,都市の集積・分散が企業間の交流便益による効用,家計の通勤費用による不効用,土地の制約による地代の上昇などによって起こるものと規定している.既存研究では,その均衡状態を求める問題をある種のポテンシャル関数に対する最大化問題として帰着している.一方,令和5年度に我々が行った研究では,Fujita-Ogawaモデルに対して企業の異質性を導入し,より一般的な設定に基づくモデルの拡張を行った.具体的には,時間価値の異なる複数種類の企業が存在することを仮定し,その仮定の下で均衡状態を最適化問題として帰着した.また,具体的なシミュレーションもいくつか行い,企業や家計に対する距離減衰パラメータ,時間価値パラメータを様々に変化させることにより,それぞれ特徴的な均衡パターンが創出されることを確認した.

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

令和4年度は逐次単射アルゴリズム(Inexact Sequential Injective Algorithm: ISIA)といったアルゴリズムの開発に注力した.一方,令和5年度は都市経済モデルの研究を主体的に行い,いくつか新たな結果を得るに至った.これまでアルゴリズム開発とモデル開発に対する研究が少しずつ進んでおり,令和6年度はそれらの集大成となるような研究成果を挙げたい.

今後の研究の推進方策

令和6年度は,令和5年度から取り掛かっている半無限計画問題に対するαBB切除平面法の仕上げを行っていきたい.αBB法とは,半無限計画問題における無限個の不等式で表現された制約領域を,有限個の凹二次関数を用いることにより内部近似していく手法である.一方,切除平面法とは,有限個の不等式を上手く選択することにより,制約領域を外部近似する手法である.この二つの内部近似・外部近似の技法を上手く組み合わせることにより,両者の特長を兼ね備えた性能を期待できるのが,αBB切除平面法である.また,令和6年度は本課題の最終年度となるので,アルゴリズムだけでなく,応用モデルに関する複合的な研究も行っていきたい.

報告書

(5件)
  • 2023 実施状況報告書
  • 2022 実施状況報告書
  • 2021 実施状況報告書
  • 2020 実施状況報告書
  • 2019 実施状況報告書
  • 研究成果

    (11件)

すべて 2023 2022 2021 2019 その他

すべて 雑誌論文 (4件) (うち査読あり 3件、 オープンアクセス 2件) 学会発表 (6件) (うち国際学会 1件、 招待講演 1件) 備考 (1件)

  • [雑誌論文] 都市経済モデルにおける非線形最適化 ―Fujita-Ogawaモデルを例に―2023

    • 著者名/発表者名
      林 俊介
    • 雑誌名

      オペレーションズ・リサーチ

      巻: 68 ページ: 629-635

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
  • [雑誌論文] Inexact sequential injective algorithm for weakly univalent vector equation and its application to regularized smoothing Newton algorithm for mixed second-order cone complementarity problems2022

    • 著者名/発表者名
      Shunsuke Hayashi
    • 雑誌名

      Numerical Algebra, Control and Optimization

      巻: - 号: 2 ページ: 284-297

    • DOI

      10.3934/naco.2022024

    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] A new look at departure time choice equilibrium models with heterogeneous users2021

    • 著者名/発表者名
      Takashi Akamatsu, Kentaro Wada, Takamasa Iryo, and Shunsuke Hayashi
    • 雑誌名

      Transportation Research Part B: Methodological

      巻: 148 ページ: 152-182

    • DOI

      10.1016/j.trb.2021.04.003

    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] A computational design optimization method for rockfall protection embankments2021

    • 著者名/発表者名
      Hasuka Kanno, Shuji Moriguchi, Shunsuke Hayashi, and Kenjiro Terada
    • 雑誌名

      Engineering Geology

      巻: 284 ページ: 105920-105920

    • DOI

      10.1016/j.enggeo.2020.105920

    • 関連する報告書
      2020 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [学会発表] Heterogeneous extension of 2-dimensional Fujita-Ogawa model in spatial economics2023

    • 著者名/発表者名
      Shunsuke Hayashi
    • 学会等名
      The 20th EUROpt Workshop (EUROPT 2023)
    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] 都市の集積経済と均衡解析モデル2023

    • 著者名/発表者名
      林 俊介
    • 学会等名
      日本オペレーションズ・リサーチ学会 研究部会「最適化手法とアルゴリズム」 (SOMA) ,第8回研究会
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 無限次元線形計画問題に対する区分線形性を用いた解法とその拡張2019

    • 著者名/発表者名
      遠藤貴裕,林俊介
    • 学会等名
      日本オペレーションズ・リサーチ学会東北支部 東北ORセミナー2019 若手研究交流会
    • 関連する報告書
      2019 実施状況報告書
  • [学会発表] 分枝限定法を用いた混合整数線形半無限計画問題の解法2019

    • 著者名/発表者名
      佐々木一帆,林俊介
    • 学会等名
      日本オペレーションズ・リサーチ学会東北支部 東北ORセミナー2019 若手研究交流会
    • 関連する報告書
      2019 実施状況報告書
  • [学会発表] 二次元Fujita-Ogawaモデルの効率的解法について2019

    • 著者名/発表者名
      夏井陸,林俊介
    • 学会等名
      日本オペレーションズ・リサーチ学会東北支部 東北ORセミナー2019 若手研究交流会
    • 関連する報告書
      2019 実施状況報告書
  • [学会発表] 動的経路選択均衡問題に対する効率的解法2019

    • 著者名/発表者名
      海野光吹,林俊介
    • 学会等名
      日本オペレーションズ・リサーチ学会東北支部 東北ORセミナー2019 若手研究交流会
    • 関連する報告書
      2019 実施状況報告書
  • [備考] 林 俊介のウェブページ

    • URL

      http://optima.ws.hosei.ac.jp/hayashi/

    • 関連する報告書
      2023 実施状況報告書 2022 実施状況報告書 2021 実施状況報告書 2020 実施状況報告書 2019 実施状況報告書

URL: 

公開日: 2019-04-18   更新日: 2024-12-25  

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