• 研究課題をさがす
  • 研究者をさがす
  • KAKENの使い方
  1. 前のページに戻る

物理の経験知を埋め込んだデータ科学による複合災害のリアルタイム未来知

研究課題

研究課題/領域番号 23K26356
補助金の研究課題番号 23H01662 (2023)
研究種目

基盤研究(B)

配分区分基金 (2024)
補助金 (2023)
応募区分一般
審査区分 小区分25030:防災工学関連
研究機関九州大学

研究代表者

浅井 光輝  九州大学, 工学研究院, 准教授 (90411230)

研究分担者 笠間 清伸  九州大学, 工学研究院, 教授 (10315111)
田中 聖三  広島工業大学, 工学部, 准教授 (10439557)
三目 直登  筑波大学, システム情報系, 助教 (10808083)
山野井 一輝  京都大学, 防災研究所, 助教 (30806708)
研究期間 (年度) 2023-04-01 – 2027-03-31
研究課題ステータス 交付 (2024年度)
配分額 *注記
19,110千円 (直接経費: 14,700千円、間接経費: 4,410千円)
2026年度: 1,820千円 (直接経費: 1,400千円、間接経費: 420千円)
2025年度: 2,990千円 (直接経費: 2,300千円、間接経費: 690千円)
2024年度: 4,420千円 (直接経費: 3,400千円、間接経費: 1,020千円)
2023年度: 9,880千円 (直接経費: 7,600千円、間接経費: 2,280千円)
キーワード粒子法 / 機械学習 / 被害予測 / エミュレータ / 豪雨被害 / 地震津波被害 / 複合災害 / 減災・防災 / 土砂流動解析 / 広域氾濫解析
研究開始時の研究の概要

防災・減災対策は、経験知として高度化してきた。しかし、最悪の災害シナリオを事前に想定し、合理的な対策を未然に打つべきである。地球温暖化の影響から毎年のように頻発する豪雨、発生確率が年々と高まる南海トラフ地震、またはそれらが複合した未曾有の災害と対峙していくには、経験知に替わる新たな未来知が必要であろう。そこで本課題では、これまでに長年培われてきた物理の経験知を埋め込んだ新たなデータインフォマティックスPEDI 「Physics Embedded Data Informatics」を構築し、災害規模、対策の有効性などの未来を事前に知る“未来知”のリアルタイム化を図る。

研究実績の概要

本課題では、これまでに長年培われてきた物理の“経験知”(科学分野の第2世代:理論科学と第3世代:シミュレーション)を埋め込んだ新たなデータインフォマティックスPEDI 「Physics Embedded Data Informatics」(第4世代:情報科学)を構築し、災害規模、対策の有効性などの未来を事前に知る“未来知”のリアルタイム化を図ることを目指したものである。以上の目的のため、これまでに申請者らが培ってきた粒子法および有限要素法による自然災害被害予測のための計算ツールに次の1~3の機能を追加する計画であった。1.FEMへの土砂移動モデルの導入 2.豪雨による土砂災害予測の高度化 3.堤防決定予測のための粒子法の高度化
加えて、数値解析と機械学習の融合した新しいデータサイエンスを構築するものである。
1年目の段階で、計算ツールの追加機能の1と3はほぼ目途が立ち、論文投稿するなど、当初予定のスケジュールよりも早い段階で成果をあげることができた。また、2の計算ツールとして利用する予定であったノートルダム大学が開発したADCIRCを使った国際連携研究をスピンオフ研究プロジェクトとして開始させることができ、科研費の国際連携研究として実施することになった。
また数値解析と機械学習を融合した新しいデータサイエンスについての研究については、機械学習の予測値に解の信頼性を付与するために、物理を支配する方程式の再現度を損失関数に組み込むPhysics Informed Neural Networksを導入した。また選点法的に点ごとに損失関するを評価する従来法では境界条件に関する誤差が顕著にでることを指摘し、その改善方法を提案し、論文にまとめた。
以上、当初のスケジュールよりも早く成果が出始め、また予定外のプロジェクトの立ち上げにもつながった。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

1: 当初の計画以上に進展している

理由

実績概要でも記載した通り、1年目から当初予定の課題の多くを解決することができ、論文業績(9編の査読付き論文、うち4編国際ジャーナル、加えて12件の国際会議での口頭発表)へとつながった。その論文のうち1編が、土木学会応用力学委員会の論文賞を受賞した.また、スピンオフ的な国際連携研究プロジェクトが科研費の国際連携研究として開始した。
以上の理由(初年度から多数の論文業績が得られたこと、別プロジェクトへと発展したこと)から、当初予定の成果があげられたと判断した。

今後の研究の推進方策

ビデオ会議、SNSを使った密なオンライン議論を行うことで、分担者と代表者間での連携が適切に行われた。そのおかげもあり、数値解析技術の開発項目の3つの内の2つの開発目途がたち、また数値解析と機械学習を融合した新しいデータサイエンス「Physics Embedded Data Informatics(PEDI)」の基礎となる基盤技術の一つPhysics Informed Neural Networks(PINN)に関する新たな知見を短時間で得ることができた。現時点では、代表者と各分担者間での議論、連携は十分に行えているため、このまま密なオンライン議論を継続するとともに、更なる発展のためには、グループ全体での対面議論を1年に1回は開催するように心がける。特に、数値計算と機械学習を融合するPEDIは、新しい取り組みであり、数値計算を得意とする研究者と機械学習を得意とする研究者の共同で革新的なアイデアに繋がる可能性を秘めている。このためにも全体ミーティングの数を増やし、各研究者間での有機的な連携が今後の更なる発展の鍵になるものと考える。

報告書

(1件)
  • 2023 実績報告書
  • 研究成果

    (42件)

すべて 2024 2023 2022

すべて 雑誌論文 (9件) (うち国際共著 1件、 査読あり 9件、 オープンアクセス 8件) 学会発表 (33件) (うち国際学会 12件)

  • [雑誌論文] ISPH に対する一般化 Ghost Cell Boundary モデル2024

    • 著者名/発表者名
      常見 隆幸、大村 浩之、三目 直登
    • 雑誌名

      日本計算工学会論文集

      巻: 2024 号: 1 ページ: 20241002-20241002

    • DOI

      10.11421/jsces.2024.20241002

    • ISSN
      1344-9443, 1347-8826
    • 年月日
      2024-03-19
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] THE EFFECT OF MATERIAL PROPERTY VARIATION ON ROCKFALL MOVEMENT2024

    • 著者名/発表者名
      Gaoyuan LYU, Kiyonobu KASAMA
    • 雑誌名

      Journal of JSCE

      巻: 12 号: 2 ページ: n/a

    • DOI

      10.2208/journalofjsce.23-15035

    • ISSN
      2187-5103
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] EFFECTS OF STRAIN SOFTENING AND STRENGTH SPATIAL VARIABILITY ON SLOPE FAILURE MOVEMENT BY MATERIAL POINT METHOD2024

    • 著者名/発表者名
      Junyan YU, Kiyonobu KASAMA
    • 雑誌名

      Journal of JSCE

      巻: 12 号: 2 ページ: n/a

    • DOI

      10.2208/journalofjsce.23-15036

    • ISSN
      2187-5103
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Surface tension simulation with corrected ALE-ISPH and density-based shifting technique2023

    • 著者名/発表者名
      Daniel S. Morikawa, Mitsuteru Asai
    • 雑誌名

      Journal of Computational Particle Mechanics

      巻: 000 号: 3 ページ: 000-000

    • DOI

      10.1007/s40571-023-00666-y

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] A class of second-derivatives in the Smoothed Particle Hydrodynamics with 2nd-order accuracy and its application to incompressible flow simulations2023

    • 著者名/発表者名
      Mitsuteru Asai, Shujiro Fujioka, Yusuke Saeki, Daniel Morikawa Shigueo, Kumpei Tsuji
    • 雑誌名

      Computer Method in Applied Mechanics and Engineering

      巻: Vol. 415 ページ: 116203-116203

    • DOI

      10.1016/j.cma.2023.116203

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] A nodal-based Lagrange Multiplier/cohesive zone approach for three-dimensional dynamic crack simulations of quasi-brittle materials2023

    • 著者名/発表者名
      Yifang Qin, Shunhua Chen, Mitsuteru Asai
    • 雑誌名

      Engineering Fracture Mechanics

      巻: Vol. 292 ページ: 109637-109637

    • DOI

      10.1016/j.engfracmech.2023.109637

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] 負圧を含む非圧縮性流体を対象とした SPH 法の圧力勾配モデルの原点回帰2023

    • 著者名/発表者名
      Kumpei Tsuji, Mitsuteru Asai, Kiyonobu Kasama
    • 雑誌名

      土木学会論文集

      巻: 79 号: 15 ページ: n/a

    • DOI

      10.2208/jscejj.22-15023

    • ISSN
      2436-6021
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] 高精度 SPH 法 ~空間 2 次精度の勾配・ラプラシアン・混合微分~2023

    • 著者名/発表者名
      FUJIOKA Shujiro、TSUJI Kumpei、ASAI Mitsuteru
    • 雑誌名

      土木学会論文集

      巻: 79 号: 15 ページ: n/a

    • DOI

      10.2208/jscejj.22-15019

    • ISSN
      2436-6021
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] A phase-change approach to landslide simulations: Coupling finite strain elastoplastic TLSPH with non-Newtonian IISPH2022

    • 著者名/発表者名
      Morikawa Daniel S.、Asai Mitsuteru
    • 雑誌名

      Computers and Geotechnics

      巻: 148 ページ: 104815-104815

    • DOI

      10.1016/j.compgeo.2022.104815

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [学会発表] New 2nd order particle simulation model ISPH(2) and its application to complex disaster simulation2023

    • 著者名/発表者名
      Mitsuteru Asai, Shujiro Fujioka, Kumpei Tsuji, Daniel Morikawa
    • 学会等名
      Advanced in Computational Mechanics (ACM 2023)
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Crack propagation simulation using cohesive zone approach based on nodal Lagrange multiplier2023

    • 著者名/発表者名
      Yifang Qin, Mitsuteru Asai, Shunhua Chen
    • 学会等名
      Advanced in Computational Mechanics (ACM 2023)
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Tsunami-building interaction simulations using coupled ISPH/ASI-Gauss method2023

    • 著者名/発表者名
      Hiroyuki Omura, Naoto Mitsume, Mitsuteru Asai, Daigoro Isobe
    • 学会等名
      Advanced in Computational Mechanics (ACM 2023)
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Adaptive loss weighting of physics informed neural network for fast and accurate inverse analysis2023

    • 著者名/発表者名
      Shota Deguchi, Mitsuteru Asai
    • 学会等名
      Advanced in Computational Mechanics (ACM 2023)
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Finite strain elastoplastic and solid-solid contact problems with the Smoothed Particle Hydrodynamics2023

    • 著者名/発表者名
      Daniel Morikawa, Mitsuteru Asai
    • 学会等名
      PARTICLES 2023
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Particle-based Semi-resolved Coupling Model for the Simulation of Internal Erosion in soil structures2023

    • 著者名/発表者名
      Kumpei Tsuji, Mitsuteru Asai, Kiyonobu Kasama
    • 学会等名
      PARTICLES 2023
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Physical Process-Based Entrainment Behaviour Modelling of Diluted Debris Flow Using SPH Incorporated with HBP-DP Approach2023

    • 著者名/発表者名
      Yangfan Ma, Mitsuteru Asai, Zheng Han, Guangqi Chen
    • 学会等名
      PARTICLES 2023
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Bottom Boundary-Fitted Free Surface Flow Simulation with Coordinate Transformation Using SPH(2)2023

    • 著者名/発表者名
      Shujiro Fujioka, Kumpei Tsuji, Naoto Mitsume, Mitsuteru Asai
    • 学会等名
      PARTICLES 2023
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] ISPH with a Geometric Multigrid Preconditioning Solver using Background cells in GPU environment2023

    • 著者名/発表者名
      Haruki Osaki, Daniel Morikawa, Mitsuteru Asai
    • 学会等名
      PARTICLES 2023
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Improvement of ISPH-DEM Coupling Simulator Using SPH(2)2023

    • 著者名/発表者名
      Yusuke Saeki, Shujiro Fujioka, Kumpei Tsuji, Mitsuteru Asai
    • 学会等名
      PARTICLES 2023
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Probabilistic Prediction Method of Erosion Volume and Deposition Area from Rainfall Observation Data2023

    • 著者名/発表者名
      Yamanoi Kazuki, Shikakura Kori, Kawaike Kenji, Oishi Satoru
    • 学会等名
      8th International Conference on Debris-Flow Hazard Mitigation
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Mesh-Based Boundary Model of Incompressible Smoothed Particle Hydro- dynamics for Wave?Structure Interaction Problems2023

    • 著者名/発表者名
      N. Mitsume, T. Tsunemi, H. Omura
    • 学会等名
      22nd Computational Fluids Conference (CFC2023)
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] 弱形式型残差により支配方程式を学習するVPINNにおける動的重み付け法の検証2023

    • 著者名/発表者名
      出口翔大,浅井光輝
    • 学会等名
      令和5年度全国大会第78回年次学術講演会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] SPH(2)による境界適合型粒子法の高精度化2023

    • 著者名/発表者名
      藤岡秀二郎,辻勲平,三目直登,浅井光輝
    • 学会等名
      令和5年度全国大会第78回年次学術講演会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] GPUを用いたマルチグリッド前処理を導入したISPH法の高速化2023

    • 著者名/発表者名
      大﨑春輝,森川ダニエル,浅井光輝
    • 学会等名
      令和5年度全国大会第78回年次学術講演会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] 粒子法に基づく流体-地盤-構造連成解析の浸食対策工への適用2023

    • 著者名/発表者名
      佐伯勇輔,辻勲平,浅井光輝
    • 学会等名
      令和5年度全国大会第78回年次学術講演会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] 空間2次精度を有するI-SPH(2)による孤立波解析2023

    • 著者名/発表者名
      白神嘉也,藤岡秀二郎,浅井光輝
    • 学会等名
      令和5年度全国大会第78回年次学術講演会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] 水際線の移動を有する浅水長波流れを対象とした高精度かつ安定なDG有限要素法の開発2023

    • 著者名/発表者名
      松本礼央,田中聖三,浅井光輝
    • 学会等名
      令和5年度全国大会第78回年次学術講演会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] Corrected ALE-ISPH with novel Neumann boundary condition and density-based particle shifting technique2023

    • 著者名/発表者名
      Daniel Morikawa, Kumpei Tsuji, Mitsuteru Asai
    • 学会等名
      第28回計算工学講演会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] 粒子法とASI-Gauss法のカップリングに基づく波浪-骨組構造連成解析2023

    • 著者名/発表者名
      大村浩之,三目直登,浅井光輝,磯部大吾郎
    • 学会等名
      第28回計算工学講演会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] A nodal-based Lagrange Multiplier / Cohesive Zone (LM / CZ) Method for Crack Simulations2023

    • 著者名/発表者名
      Yifang Qin, Mitsuteru Asai, Shunhua Chen
    • 学会等名
      第28回計算工学講演会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] 支配方程式による制約を加えた機械学習モデルPINNに対する動的重み付け法2023

    • 著者名/発表者名
      出口翔大,浅井光輝
    • 学会等名
      第28回計算工学講演会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] 空間2次精度を有するSPHの開発と流体解析への適用 ~定式化とV&V~2023

    • 著者名/発表者名
      藤岡秀二郎,佐伯勇輔,森川ダニエル,辻勲平,浅井光輝
    • 学会等名
      第28回計算工学講演会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] 空間2次精度を有するSPHの開発と流体解析への適用 ~自由表面流れ解析への適用~2023

    • 著者名/発表者名
      白神嘉也,藤岡秀二郎,浅井光輝
    • 学会等名
      第28回計算工学講演会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] 水際線の移動を有する浅水長波流れ解析に対するDG有限要素法における安定化2023

    • 著者名/発表者名
      松本礼央,田中聖三,浅井光輝
    • 学会等名
      第28回計算工学講演会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] mu(I)レオロジーモデルを用いた粒状流の完全陰解法型SPH解析2023

    • 著者名/発表者名
      岡野翔大,森川ダニエル,大﨑春輝,浅井光輝
    • 学会等名
      第28回計算工学講演会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] Improved Ghost Cell Boundary モデルを用いた ISPH 法による流体剛体連成解析2023

    • 著者名/発表者名
      常見隆幸, 大村浩之, 三目直登
    • 学会等名
      第 28 回計算工学講演会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] 粒子法に基づく流体-地盤-構造連成解析の侵食対策工の事前検討への応用2023

    • 著者名/発表者名
      辻勲平,佐伯勇輔,浅井光輝
    • 学会等名
      第26回応用力学シンポジウム
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] 弱形式化した支配方程式を学習するVariational PINNによる熱伝導方程式の逆解析2023

    • 著者名/発表者名
      出口翔大,浅井光輝
    • 学会等名
      第26回応用力学シンポジウム
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] 座標変換を有する底面境界適合型粒子法のSPH(2)による高精度化2023

    • 著者名/発表者名
      藤岡秀二郎,辻勲平,三目直登,浅井光輝
    • 学会等名
      第26回応用力学シンポジウム
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] 斜面崩壊被害の数値予測に向けた陰的SPHによる非ニュートン流体解析の効率化2023

    • 著者名/発表者名
      岡野翔大,森川ダニエル,大﨑春輝,浅井光輝
    • 学会等名
      第26回応用力学シンポジウム
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] 空間2次精度を有するI-SPH(2)による自由表面非圧縮流れ解析2023

    • 著者名/発表者名
      白神嘉也,藤岡秀二郎,浅井光輝
    • 学会等名
      第26回応用力学シンポジウム
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] 広域の氾濫被害予測に向けた不連続ガラーキン法による浅水長波ソルバー2023

    • 著者名/発表者名
      松本礼央,田中聖三,浅井光輝
    • 学会等名
      第26回応用力学シンポジウム
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書

URL: 

公開日: 2023-04-18   更新日: 2024-12-25  

サービス概要 検索マニュアル よくある質問 お知らせ 利用規程 科研費による研究の帰属

Powered by NII kakenhi