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2019 年度 実績報告書

機械学習と強化学習を用いた鋼構造物の優良解の特徴分析と最適化

研究課題

研究課題/領域番号 18K18898
研究機関京都大学

研究代表者

大崎 純  京都大学, 工学研究科, 教授 (40176855)

研究分担者 寒野 善博  東京大学, 大学院情報理工学系研究科, 教授 (10378812)
木村 俊明  京都大学, 工学研究科, 助教 (60816057)
研究期間 (年度) 2018-06-29 – 2020-03-31
キーワード機械学習 / 強化学習 / 建築骨組 / 構造設計 / 最適化
研究実績の概要

1.骨組構造の梁と柱の断面を逐次改良によって解く過程を,マルコフ決定過程としてモデル化し,最適方策を強化学習の手法の一つであるQ学習を用いて求めた。その結果を用いることによって,焼きなまし法によって骨組を最適化する過程を加速し,最適解の精度を向上できることを示した。
2.グラフ埋め込みを用いてトラスの接続関係をモデル化し,部材の特徴量を用いたQ学習によって,優良なトラスのトポロジーを学習する手法を開発した。訓練済みエージェントは,応力と変位の制約を満たしつつ部材を除去する処理が可能であり,任意の規模・位相・境界条件を有するトラスに適用可能である。
3.鋼構造平面骨組のブレース配置問題に対し,優良解と非優良解での配置の特徴を学習した。学習にはサポートベクターマシンを用い,RBFカーネルにおいて優良解に寄与する特徴量を抽出する手法を提案した。また,全ブレース体積と最大応力あるいはコンプライアンスを考慮した多目的最適化問題に対して,パレートランクを学習するアルゴリズムを提案した。さらに,小規模の骨組での学習結果を大規模の骨組の優良解の判別に適用するための方法を提案した。
4.高次元空間にあるデータを低次元で表現する次元圧縮を行うことを目的として,次元圧縮法の一つである主成分分析を,建築構造物に対するデータ駆動型の信頼性最適設計法の前処理として適用する手法を開発し,次元圧縮により従来よりも質の良い解が得られることを明らかにした。また,データ駆動型計算力学の手法の一つである距離最小化法について検討し,距離最小化法に対する従来の解法では必ずしも正しい解が得られないことを明らかにし,整数計画に基づく厳密解法を提案した。

  • 研究成果

    (11件)

すべて 2020 2019

すべて 雑誌論文 (4件) (うち査読あり 4件、 オープンアクセス 2件) 学会発表 (7件) (うち国際学会 3件)

  • [雑誌論文] Dimensionality reduction enhances data-driven reliability-based design optimizer.2020

    • 著者名/発表者名
      Y. Kanno
    • 雑誌名

      Journal of Advanced Mechanical Design, Systems, and Manufacturing, 14,Article

      巻: 19 ページ: 00200

    • DOI

      10.1299/jamdsm.2020jamdsm0008

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Reinforcement learning for optimum design of a plane frame under static loads, Engineering with Computers.2020

    • 著者名/発表者名
      K. Hayashi and M. Ohsaki
    • 雑誌名

      Engineering with Computers, published online.

      巻: 00 ページ: in press

    • DOI

      10.1007/s00366-019-00926-7

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Reinforcement learning and graph embedding for binary truss topology optimization under stress and displacement constraints.2020

    • 著者名/発表者名
      K. Hayashi and M. Ohsaki
    • 雑誌名

      Frontiers in Built Environment, Specialty Section: Computational Methods in Structural Engineering

      巻: 6 ページ: Paper No. 59

    • DOI

      10.3389/fbuil.2020.00059

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Mixed-integer programming formulation of a data-driven solver in computational elasticity.2019

    • 著者名/発表者名
      Y. Kanno
    • 雑誌名

      Optimization Letters

      巻: 13 ページ: 1505-1514

    • DOI

      10.1007/s11590-019-01409-w

    • 査読あり
  • [学会発表] Minimum-volume design of steel frames using reinforcement learning, Proc.2020

    • 著者名/発表者名
      K. Hayashi and M. Ohsaki
    • 学会等名
      14th World Congress in Computational Mechanics (WCCM-ECCOMAS 2020)
    • 国際学会
  • [学会発表] Machine learning for approximate optimal placement of braces of plane steel frames under static loads.2020

    • 著者名/発表者名
      K. Sakaguchi and M. Ohsaki
    • 学会等名
      Asian Congress of Structural and Multidisciplinary Otimization (ACSMO 2020)
    • 国際学会
  • [学会発表] パレートランクの機械学習を用いた鋼構造骨組のブレース配置の分析と多目的最適化2020

    • 著者名/発表者名
      岩越雄一, 大崎 純, 阪口一真
    • 学会等名
      日本建築学会近畿支部研究報告集
  • [学会発表] パレートランクの機械学習を用いた鋼構造骨組の設計の多目的最適化2020

    • 著者名/発表者名
      岩越雄一, 大崎 純, 阪口一真
    • 学会等名
      日本建築学会大会学術講演梗概集
  • [学会発表] グラフ埋め込みと強化学習による鋼構造平面骨組の断面設計2020

    • 著者名/発表者名
      林 和希,大崎 純
    • 学会等名
      日本建築学会大会学術講演梗概集
  • [学会発表] Deep-Q network for truss topology optimization with stress constraints Proc.2019

    • 著者名/発表者名
      K. Hayashi and M. Ohsaki
    • 学会等名
      IASS Symposium 2019, Barcelona, Spain, Int. Assoc.
    • 国際学会
  • [学会発表] 機械学習による小規模ブレース付骨組の特徴分析とそれに基づく大規模骨組の最適化2019

    • 著者名/発表者名
      阪口 一真, 大崎 純, 木村俊明
    • 学会等名
      第42回情報・システム・利用・技術シンポジウム

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公開日: 2021-01-27  

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