学際大規模情報基盤共同利用・共同研究拠点 平成 27 年度共同研究 最終報告書 2016 年 5 月

jh150026-NA16

熱中症リスク評価シミュレータの開発と応用
平田晃正(名古屋工業大学)
概要 外部の物理的熱負荷（外気温、太陽光）に対し、ヒトの体温は上昇し、熱調整反応が生じる。熱中症を発症する際には、体内において過度の体温上昇、または発汗が生じた状況になっている。このことから、複合物理およびシステムバイオロジーを連成させた解析を用い、様々な条件において成人（若者）と高リスク群における相違を理解する必要がある。そこで、シミュレータの高速化を行うとともに、様々な人体モデルに対する基礎データを取得、データベース化する。

1.

共同研究に関する情報た状況になっている。このことから、複合物理お(1) 共同研究を実施した拠点名

よびシステムバイオロジーを連成させた解析を開東北大学発すれば、様々な条件において成人（若者）と高リスク群における相違を解明し、普及啓発活動へ(2) 共同研究分野の応用が期待できる。特に、熱中症の発症する周■ 超大規模数値計算系応用分野

辺環境は、高温多湿などの共通のパラメータもあν

超大規模データ処理系応用分野

るものの、服装、労働あるいはスポーツ環境などν

超大容量ネットワーク技術分野

個人差が大きく、かつ周辺環境は時々刻々と変化ν

超大規模情報システム関連研究分野する。これらの要因を考慮し、生体内における各(3) 参加研究者の役割分担

種パラメータ変化を時間的に追跡、普及啓発活動（代表）平田 晃正に用いるデータの取得を目的する。特に、シミュ

名古屋工業大学

熱中症シミュレーション・ソースコードの改良とレータの高速化および様々な人体モデルに対する研究統括基礎データの取得（データベース化）を行うもの（副）江川 隆輔

東北大学サイバーサイとする。

エンスセンター
ソースコードの最適化、チューニング担当

2.2.意義（副）田中 悟志

地球温暖化に加え、2011 年の大震災以降、節電が浜松医科大学医学部

生理学的モデル化叫ばれる中、「熱中症」への取り組みが社会的関心○浅野 陽平事となっている。また、欧米でも熱波による熱中名古屋工業大学

太陽光ばく露解析の実施とデータ処理症による死者数が増加傾向にある。熱中症患者の○西尾 渉

名古屋工業大学

中でも、高リスク群である小児および高齢者に対熱ばく露解析の実施とデータ処理して関心が持たれている。子供については車内放置が社会問題となっており、2011 年 7 月、警察庁

2.

研究の目的と意義

はパチンコホール団体へ再発防止対策の徹底を要

2.1.目的請している。一方、熱中症で救急搬送された患者

外部の物理的熱負荷（外気温、太陽光）が存在すの 40％が高齢者であり、啓発活動が行われている

ると、ヒトの体内温度が上昇し、それに伴い生体ものの高い水準に変化はない。これらのハイリスの熱調整反応が生じる。熱中症を発症する際には、ク群の人々が熱中症にかかる要因として、熱中症体内において過度の体温上昇、または発汗が生じに関する知見は生理学の考察あるいは救急医療に1

学際大規模情報基盤共同利用・共同研究拠点 平成 27 年度共同研究 最終報告書 2016 年 5 月

基づく対症療法がほとんどである。換言すれば、ナにいた状態の体温変化を概ね模擬できることを年齢による体温上昇、発汗の相違など工学・物理確認している。

見地からのリスク評価を行い、かつその成果に基生体を用いた実験が倫理的側面から限定されるづく普及啓発が十分ではなかったことが挙げられ本問題に関し、社会的ニーズとして熱中症データる。本研究は、高精度かつ視覚化したリスク評価の蓄積に加え、準リアルシミュレータを構築できデータに基づき、普及啓発に有意な資料を提供すれば、特殊環境における、リスク評価も実施できるものである。例えば、以下のような意義が挙げる。現在代表者が開発したコードを市販のワークられる。

ステーションで解析した場合は、16 時間程度の解(1)高齢化社会の到来に伴って肉体労働者が高齢析時間を要するため、本研究目的である①高速化、化しており、職業環境（プラント、建設現場など）②データの蓄積、ともに不適である。そこで、現における熱中症対策が急務である。例えば、同じ在、共同研究者（東北大学サイバーサイエンスセ

職場においても、日時によって熱負荷は異なり、ンター）と SX-9 における動作確認、さらには新体温、生理反応は異なり、それを事前に視覚的にたに導入されるスーパーコンピュータシステム示すことは対策につながる。

[SX-ACE]への移植について検討を行っている。こ(2)職業環境下、あるいは猛暑環境におけるスポーのコードの特徴は、ミリメートル程度の分解能をツ（2020 年 7 月～8 月東京オリンピックなど）の考慮した電磁界・熱の物理計算（4500 万格子点）実施および観戦においてリスク情報を提供でき、に加え、（ベクトル化、並列化に工夫を要する）ヒ対策を促すことが期待できる。

トのシステムバイオロジーを定式化し、高速に複(3)熱中症に関する教育は、現在、中学生を対象と合解析を実施することを目指す。しかし、高速化した技術家庭の時間で実施されており、一部の教を行う上でベクトル化効率の向上が必要不可欠と科書では申請代表者らの成果を採用、今後、更ななるため、専門的知識が必要となる。

る高信頼性化による若年者を中心とした国民教育

4. 前年度までに得られた研究成果の概要へ一層の貢献ができる。

本年度がＪＨＰＣＮ制度を使った初年度である。

3. 当拠点公募型共同研究として実施した意義

なお、前年度までの制度を利用しない条件で得ら当研究グループでは、これまで時間領域差分法にれた成果は以下のとおりである。

よる生体に関わる電磁界および熱シミュレーショ

[1] 75 歳以上（後期高齢者）における熱中症リスンコードの開発を行ってきた。計算解剖人体モデクが高まる理由が、体内深部温度センサーの劣化

ルは、情報通信研究機構が開発したものであり、によるものであることを立証。得られた知見に基組織数 51 を考慮し、解像度は 2mm、4500 万点

づき、我が国の猛暑日の環境下における若者とのにおいて物理計算を行う。その際、人体を構成す相違を提示した。

るそれぞれの組織に、太陽光ばく露に対しては電[2] 妊娠女性における熱中症リスクが高まる理由

気定数を、外気温に伴う温度上昇には熱定数を割が、胎児の高い代謝量によるものであることを解り当てて解析する。特に、熱負荷に対する体温変明。

化の解析では、皮膚あるいは体内深部に存在する[3] 65-75 歳（前期高齢者）における熱中症リスク

温度センサーにより、温度上昇を軽減する作用、が高まる理由が、体表面（皮膚に存在）温度センいわゆる体温調整機能（血流および発汗率）が変サーの劣化によるものであることを立証。

化する。また、湿度、あるいは発汗量により、体表面の状況は時々刻々と変化し、冷却効果などを含めた精緻な計算がある。この解析手法は、サウ2

学際大規模情報基盤共同利用・共同研究拠点 平成 27 年度共同研究 最終報告書 2016 年 5 月

Start the program

Initialize calculation to obtainthermoneutral state at 28↓C

Input parameters

Input model data
Thermal conductivity, Specific Heat
Blood perfusion rate

Loop through Time

Calculate temperature, Eqs. (1), (2)TB,m Eqs. (3), (4)Input sweating model
High, Normal, Low

Update thermoregulatory response• Sweating rate, Eqs. (5) – (11)• Blood perfusion, Eq. (12)Setup ambient condition
NoIf Time= Simulation time

Temperature, Humidity

Yes
End simulation (Store results)
temperature distribution, total sweating

図 1. 体温上昇解析のフローチャート[4] 小児と成人の生理学的相違は大きくないことに知らせた。

を示す。太陽光および暑熱の同時ばく露により、定量化がしやすい子供の車内放置による死者数は、子供のリスクが高まる理由は、体形差のみで説明

2000 年から 2010 年まで約 0.4 名／月(5－10 月期)できること、また脱水症状になりやすい理由を説であったのに対し、2011 年 8 月の報道発表以降は明した。

0.11 名／月と大幅に減少したことは啓発活動の有上記の成果を、マスメディアなどを通じて広く普効性を示すものである。

及啓発活動を行ってきた。5 度の報道発表に対し、国内主要新聞一般紙すべてを含む延べ 150 紙以上、 5. 今年度の研究成果の詳細
5.1. 解析の手順

人民日報、新華社通信など中国における数百紙に掲載されるとともに、国内テレビ出演 50 件以上

体温上昇解析のフローチャートを図 1 に示す。

（おはよう日本、報道ステーションなど）、企画協

図より、解析を実行すると、始めに 28 oC 環境下力（世界一受けたい授業など）を行った。また、における熱定常状態の初期温度分布を読み込む。

遊戯事業および小売業における業界誌あるいは社

次に、人体モデルや発汗モデルの設定、また外気員教育用資料などの協力を行った。なお、2014 年

温などの環境設定を入力する。それから、生体熱に実施した後期高齢者に関する熱中症リスク上昇

輸送方程式による温度上昇を計算、またその計算解明の報道発表では、東北大学のスーパーコンピを行う際、発汗率の変化や血流量の変化など、熱ューターを利用した成果を含んでいたが、その成調整機能を組み込んだ計算を行う。このフローチ

果は、中日新聞／東京新聞では夕刊１面に、またャートに従って、解析を行う。特に、物理計算と共同通信が発信した情報をもとに 20 社以上、中国異なり、温熱生理（システムバイオロジー）の部紙（人民日報など）100 以上が「スーパーコンピ分は、条件文などを含み、高速化には適していなューター」の利用であることを明記し、スーパーいアルゴリズムである。そのようなアルゴリズム

コンピュータシステムによる解析の重要性を国民に対して、mask などを生成させることにより、で3

学際大規模情報基盤共同利用・共同研究拠点 平成 27 年度共同研究 最終報告書 2016 年 5 月
70

MODELX=160
MODELY=320
MODELZ=866

MODELX=866
MODELY=320
MODELZ=160

DO K = 1,MODELZDO J = 1, MODELY
DO I = 1, MODELXTEMP(I,J,K)
END DOEND DOEND DODO I = 1,MODELZDO J = 1, MODELYDO K = 1, MODELXTEMP(K,J,I)
END DOEND DOEND DO

Speed Up

60

Theoretical Value

50

Approxiamte CurvepU40deep 30
S2010001632
Number of Process4864

図 3. 並列プロセス数の増加に対する計算時

図 2. ベクトル化に適したループ間の加速率
きるだけベクトル化および並列化が適した形に変

具体的に行った並列化処理としては、人体モデ更を加えた。以下の節では、その概略を述べる。

ルを Z 軸方向各平面に分割し、それぞれの 1 平面を 1 プロセスとして割り当てた。

5.2. ベクトル化

異なる並列プロセス数に対し、プロセス数の増

東北大学が有するスーパーコンピューター

加に対する計算時間の加速率を図 3 に示す。図よSX-ACE はベクトル処理を活用すると、高い性能をり、並列プロセス数の増加に伴って並列処理効率得ることができる。このことから、ベクトル計算が顕著に低下することはなく、加速率は上昇してに適したコードを作成する必要がある。ベクトルいる。しかしながら、理論値 64 倍に対して、並列計算に適したループの例を図 2 に示す。言語はプロセス数が 64 の場合に得られた加速率は、34.6

fortran90 にて記載する。図より、最内側のルー倍となった。これは主に演算量のインバランスにプ長を最長にすることで、ノード当たりの計算要よる並列化率の低下や、ノード間通信時のデータ素数を増加させることが可能となる。このように、さまざまなループレベル最適化[12]を施すことで、ベクトル化率とノードあたりの性能を向上させた。

転送量が増加する際に発生する遅延によるものと考えられる。特に、インバランスの原因が温熱調整系のコード化にあると考え、その並列化に取り掛かっている。具体的には、逐次計算部分である

5.3. 並列化

条件文(IF)を配列化し、ベクトル化率とノードあコードを並列化する際、MPI(Message Passingたりの性能を向上させた。これにより，並列化率Interface)を用いて並列化を行った。MPI とは、を阻害していたインバランスを解消しているとこ

分散メモリ間のデータ処理分割やデータ転送を担ろである。

うメッセージパッシングの標準規格であり、コーベクトル化、並列化を行ったコードを SX-ACE にドから呼び出すサブプログラムのライブラリであ実装し、暑熱ばく露における体温上昇を解析した

る。MPI を用いて並列化を行った理由として、並例を図 4 に示す。図は 3 時間の暑熱ばく露(37 oC)

列 化 手 法に は 、 タス ク 並列 用 の自 動 並列 化 やを行った際の体表面温度を表している。左から 3OpenMP(Open Multi-Processing)、データ並列用の歳児、22 歳相当の成人男性、65 歳相当の成人男性、MPI などがある。今回、解析コードを並列化する

75 歳相当の成人男性、成人女性となっている。

上で、タスク並列と MPI を併用したハイブリッド

図より、他のモデルに比べて、75 歳相当の成人

MPI、MPI のみを用いたフラット MPI をそれぞれ実男性の体表面温度が最も大きく上昇していること装して、実行時間を比較した。その結果、フラッが確認できる。これは、発汗機能の相違によるもト MPI の方が効率よく計算を高速化できたため、ので、高齢者は若年者よりも発汗量が少なく、発フラット MPI を用いた。
4

学際大規模情報基盤共同利用・共同研究拠点 平成 27 年度共同研究 最終報告書 2016 年 5 月22 years old(male)

65 years old(male)

75 years old(male)

22 years old(female)
Body Surface
Temperature［oC］

39.0
3 years old(male)

36.0

33.0
図 4. 暑熱ばく露における表面温度上昇の解析結果

(a)

(b)
図 5. 気温および湿度を変化させた場合の WBGT 値および日本人成人男性モデル内深部温度上昇汗の開始が遅れるためである。

暑さ指数である WBGT と体内深部温度上昇の相関に関する基礎検討を行った。対象としては成人男

5.4. データベース化性モデルで平均的な発汗量を有するものの結果を現在、様々な暑熱環境下において体温変化の計算紹介する。図 5(a)、(b)に、それぞれ、気温およを行っている。本年度は、我が国でも頻用されるび湿度を変化させた場合の WBGT 値および体内深5学際大規模情報基盤共同利用・共同研究拠点 平成 27 年度共同研究 最終報告書 2016 年 5 月

析が可能となった。一概には比較できないものの、

0.8] 0.7C↓[
no 0.6
itiar 0.5
av0.4er
ut 0.3
arep 0.2
me 0.1
T

一般的なワークステーション（CPU ：Intel® Xeon®
W5590 @3.33GHz , 4 コア×2）において、7～16 時間程度（状況、生理反応のモデル化による）必要であったことを付記する。
②成人男性モデルを用いた熱定数、熱生理機能の個体差の体温変化に与える影響の試算（2015 年 7020253035月～9 月）

4010 月以降に実施する様々な状況下における解析のWBGTパラメータを確認し、これまで報告されている実図 6 ＷＢＧＴ値と体内温度上昇の関係測例と比較、項目①の有効性を確認する。特に、部温度上昇を示す。また、図 6 に両者の関係をプ

発汗能力の差（5 パターン程度）の影響についてロットしたものを示す。図 5 より、WBGT と体内深検討する。

部温度上昇は同様の傾向にあるものの、異なる傾③計算結果の蓄積とインバランスの解消（2015 年向もある。図 6 より、その関係は確認でき、WBGT

10 月～3 月）値が同じでも、最大で 3 倍程度のばらつきがある

10 月以降に実施する様々な状況下における解析のことが確認できた。

パラメータを確認し、これまで報告されている実測例と比較、項目①の有効性を確認する。特に、6.

発汗能力の差（5 パターン程度）の影響について今年度の進捗状況と今後の展望

本課題では、マルチノード利用によるペタフロ検討した。また、熱調整系のモデル化に伴うインップス級計算を可能とする熱ソルバーのアルゴリバランスの問題を徐々に解決しているところであズム開発と、大規模ベクトル計算基盤における高る。

効率計算を可能にする超並列化およびベクトル化

今後の課題として、ベクトル化効率向上のため技術の研究開発に取り組み、実用的な大規模解析にロードインバランス等を解消し、それによる並手法の構築を目指した。現在、直交格子の課題で列化効率向上が必要である。そのため申請代表者ある体表面の解像度を補うアルゴリズムの改良、が有していない専門的知識が重要であり、共同研また、ヒトの生理学的モデル化に関わるコードの究体制の構築が求められる。特に中間報告の審査ベクトル化およびその評価を行い、副代表である員でも指摘され、今年度も取り掛かっていた。こ東北大学サイバーサイエンスセンター・江川とののさらなる改善によって、気象データとの連携に協力により解決を目指した。

よる準リアルタイムでのリスク評価技術を構築、①SX-Ace への実装のためのプログラムチューニン

さらには今後の地球温暖化を見据えた新規シミュグおよび試験計算（2015 年 4 月～継続中）

レーション基盤技術の開発を目指していきたい。

年度最終目標であるデータベースの構築に加え、気象データとの連携を視野に、準リアルタイム熱7.

研究成果リスト中症リスクを目指し、可能な限りの高速化を行う。

(1) 学術論文

主担当は、副代表者の江川を中心に、代表者・平a)平田晃正， “複合物理で考える熱中症リスク,”田および大学院生が補佐する。同時に、平田と田電子情報通信学会誌，vol.98, no.7, pp.604-606,

中で生理現象の定式化を改良する。項目①以降も、2015.

随時、チューニングを行う。成人男性を 2mm の解(2) 国際会議プロシーディングス

像度で実施した場合、１条件に対し、約 1 分で解6

学際大規模情報基盤共同利用・共同研究拠点 平成 27 年度共同研究 最終報告書 2016 年 5 月

該当なし(3) 国際会議発表a) A. Hirata, W. Nishio, D. Sasaki, T. Yamashita, R.
Egawa, H. Kobayashi, “Computation of Temperature
Elevation in the Human Body for Ambient Heat Using
Vector Supercomputer SX-ACE,” The 23rd Workshop
on Sustained Simulation Performance, Mar. 2016.
(4) 国内会議発表a) 西尾渉，浅野陽平，佐々木大輔，山下毅，平田晃正，江川隆輔，“ベクトルスーパーコンピュータ
SX-ACE による暑熱環境下体温上昇の高速解析,”
信学技報，EST2015-61，Sep. 2015．
b) 西尾渉，浅野陽平，佐々木大輔，山下毅，平田晃正，江川隆輔，“ベクトルスーパーコンピュータ
SX-ACE による体温解析の高速化,” 信学ソ大，C-15-12，Sep. 2015．
(5) その他（特許，プレス発表，著書等）
a)中日新聞，2015 年 7 月 23 日，朝 1 面，熱中症
リスク 短時間で算出b)日刊工業新聞，2015 年 7 月 23 日，9 面，3 時間後の熱中症発症

10 分でリスク評価c)化学工業日報，2015 年 7 月 24 日，4 面，熱中症
リスク 10 分で評価
d)日経産業新聞，2015 年 8 月 7 日，8 面，熱中症
リスク、解析 10 分、人体モデル、3 時間予測、東北大など。
e) テレビ朝日（報道ステーション SUNDAY）2015年 7 月 12 日（全国）f) テレビ朝日（報道ステーション）2015 年 7 月13 日（全国）当日の熱中症患者の状況を気象デー
タと連携し、解析データを番組で考察した初の試み（トップニュース）g) テレビ朝日（ワイド！スクランブル）2015 年 7月 14 日（全国）h) ＣＢＣ（イッポウ）高齢者宅における環境と熱中症リスク（特集），2015 年 8 月 7 日（東海地区）
7