スパコンを知る集い in 長野～「京」からポスト「京」へ～
ﾒﾙﾊﾟﾙｸﾎｰﾙ，長野，2017年12月2日

防災・減災のための地震シミュレーション～スパコンで都市を丸ごと揺らす～
堀宗朗
総合防災・減災研究ユニット（RIKEN AICS）
東京大学地震研究所

地震に関する学問

地震学
地震そのものを研究

地震の理学
プレートテクトニクス，断層，地震波，地震観測

地震工学
地震の備えを研究・開発

地震の工学
耐震設計（建築・土木構造物）
免震／制震，危機管理，地震防災

エッセンス：地震学的視点
北米
プレート内
ユーラシア

せん断
引張

太平洋
圧縮

フィリピン海日本列島とプレート

深発地震

プレートの滑り込みと地震エッセンス：地震工学的視点
バネと類似

固有周期

＝
地盤構造

増幅・非線形性
液状化

強震動

建物の揺れ

軟らかい地盤は大きく揺れる

一定の間隔の揺れが卓越する

地震の計算有限要素法（Finite Element Method, FEM）の開発
 非線形波動方程式の汎用数値解析手法
0.1T自由度，100K step 適用
地殻・地盤の地震波動伝播
重要構造物の地震応答

都市シミュレーション手法の開発
 都市での災害・被害・被害対応の連成解析手法
 適用
地震・津波の災害・被害過程
住民等の避難過程

有限要素法ニュートンの運動方程式を，巨大な連立方程式に変換して計算する
物理
 地盤は常に地盤として挙動→ 地盤の材料定数から行列を決定することが可能

数理
 解の誤差を最少にしていくアルゴリズム→ 連立方程式の解を高速で計算することが可能

都市のモデル• 都市もニュートンの運動方程式を満たす• 都市の運動方程式を連立方程式に変換する
Point A# of MPI domain# of CPU cores

82,944

663,352

Point BStructures

Surface topography

Layer 1Layer 2
Bedrock

total DOF
Interface between layer 1 & 2Interface between layer 2 &bedrock

27,082,129,647

連立方程式の解236[cm/s]

0.02[rad.]

113地盤の応答 (SI値)0.0

構造物の応答（層間変形角）

有限要素法 運動方程式を変換した連立方程式を解く解法
都市モデル 都市が満たす運動方程式を決めるモデル

巨大地震・津波による災害予測
現状
経験ベース

将来
計算ベース

震度

距離

距離減衰式

地震

津波

被害

震度フラジリティカーブ

災害

災害推定

災害推定

科学的合理性適用例• KiK‐net にて観測された1,000波を工学的基盤層に入力し，地盤・構造物の応答を計算• 地盤工学会の全国電子地盤図をもとに作成した3層地盤モデルを使用• 物性値： Vs = 115m/s (clay), Vs = 260m/s (sand), Vs = 500m/s (bedrock)• 京コンピュータ160,000プロセス(20,000ノード)を使って計算(計算時間3,446s)

Elevation [m]40Structures

Surface topology

200‐20‐30
Clay/sand layer interfaceBedrock

解析領域：大きさ8.0 x 7.5km, 253,405棟

適用例• 1,000ケースの構造物の応答を計算• 各ケースの最大値，平均値，分散などの統計量を求めることができる• 多くの地震に対して揺れる構造物，特定の地震に対して揺れる構造物などの把握• 防災対策の優先度を決めることで，効率的な対策につながる可能性

Mean displacement [m]
0.02

0.01

0.0

1,000ケースの時系列最大変位の平均値

地震津波複合災害
地震動・地震応答の解析モデュールと津波の解析モデュールの利用

構造物一棟一棟の被害の有無を都市モデルを使って推定

地盤・構造物の都市モデル
構造物被害を生じた都市モデル
への津波の侵入

津波侵入の都市モデル

モデル自動構築• データのサイロ問題の解決• 個別整備される都市情報のデータは多様• 都市情報のデータを効率処理し，モデル構築を普遍化
3D地図A

MakeShape
Shape

3D地図B

行政データC

行政データD

MakeAttribute
Attribute

データの多様性を吸収する
中間データの生成• 中間データの自動生成
中間データの管理が不要となり，データ処理が簡略
ターゲットデータモデル構築処理の記述

Input ofProgram P

MakeInputForP ( MakeShape( 地図データA ), MakeAttribute( 行政データB ) )MakeInputForP ( MakeShape( 地図データC ) )都市モデル自動構築

3次元地形データ

1m解像度2次元格子データ• 津波解析モデュールJAGURSに入力• 地震・津波シミュレーション用の高度都市モデルの構築可能

群集避難 Multi Agent System (MAS)エージェント• 「見て」，「考えて」，「動く」機能• 自律的• エージェントの属性（能力・仕事・情報）は多様
エンバイロンメント• 「グリッド」と「グラフ」の混合モデル• GISデータから自動構築

GIS data

agent

see
think

move
1x1m cell size

raster model for MAS

ナビゲーション
レーダー型スキャンにより，視野の範囲を同定し，地物の情報を抽出• エージェントは自動的にナビゲーションを行う• 住民エージェントは地図データを持ち，最適経路を判定• 旅行者エージェントは高所を捜し，グループに追随

resident agent (pre‐defined path)

50m

visitor agent (no pre‐defined path)地震応答と群集避難の連成
SRA 構造物の地震応答
MAS エージェントの避難Startdriftah

SRA

SGM

Yes

GIS

No

modifiedenvironment

before earthquake

drift > 0.02h
MASdamagedstructureundamaged
structureEnd
1
1

after earthquake

「京」からポスト「京」へ
「京」でできたこと
 都市丸ごとの地震と被害のシミュレーション

ポスト「京」でできること
 都市丸ごとの地震・被害・対応のシミュレーション
マルチエージェントシステムを交通・経済へ拡張

科学技術を伸ばし，支えるスーパーコンピュータ

都市空間情報を使うシミュレーション

都市空間情報の利用の概要
1. 都市空間情報（マイクロジオデータ）の収集・整備
2. 高精細な人の流れデータの開発
3. 企業間取引ネットワークデータの整備
4. 人々の賃金推定：金の流れデータの試作おわりに地震と津波のシミュレーション
 スパコンを使ってニュートンの運動方程式を解く
 理学・工学・社会科学の解析手法を統合する

シミュレーションの防災・減災利用 想定外をなくす，科学的な災害・被害想定が必要
 大規模数値シミュレーションは重要なツール

より効果的な自・共・公助の「防災投資」に