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 中間報告書 2015 年 11 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あるい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

理およびシステムバイオロジーを連成させた解析(1) 共同研究を実施した拠点名を開発すれば、様々な条件において成人（若者）東北大学と高リスク群における相違を解明し、普及啓発活(2) 共同研究分野

動への応用が期待できる。特に、熱中症の発症す■

大規模数値計算系応用分野

る周辺環境は、高温多湿などの共通のパラメータ

超大規模データ処理系応用分野もあるものの、服装、労働あるいはスポーツ環境



超大容量ネットワーク技術分野など個人差が大きく、かつ周辺環境は時々刻々と

超大規模情報システム関連研究分野変化する。これらの要因を考慮し、生体内におけ(3) 参加研究者の役割分担る各種パラメータ変化を時間的に追跡、普及啓発（代表）平田 晃正

活動に用いるようデータ取得を目的する。特に、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シミュレータの高速化およびさまざまな人体モデ

研究統括

ルに対する基礎データの取得（データベース化）（副）江川 隆輔

東北大学サイバーサイを行うものとする。

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（副）田中 悟志

2.2.意義浜松医科大学医学部

地球温暖化に加え、2011 年の大震災以降、節電生理学的モデル化が叫ばれる中、「熱中症」への取り組みが社会的関○浅野 陽平 名古屋工業大学

心事となっている。また、欧米でも熱波による熱太陽光ばく露解析の実施とデータ処理中症による死者数が増加傾向にある。熱中症患者○西尾 渉の中でも、高リスク群である小児および高齢者に名古屋工業大学

熱ばく露解析の実施とデータ処理対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

2. 研究の目的と意義

庁はパチンコホール団体へ再発防止対策の徹底を2.1.目的要請している。一方、熱中症で救急搬送された患外部の物理的熱負荷（外気温、太陽光）が存在

者の 40％が高齢者であり、啓発活動が行われていすると、ヒトの体内温度が上昇し、それに伴い生るものの高い水準に変化はない。これらのハイリ体の熱調整反応が生じる。熱中症を発症する際にスク群の人々が熱中症にかかる要因として、熱中は、体内において過度の体温上昇あるいは発汗が症に関する知見は生理学の考察あるいは救急医療生じた状況になっている。このことから、複合物に基づく対症療法がほとんどである。換言すれば、
1

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年齢による体温上昇、発汗の相違など工学・物理にいた状態の体温変化を概ね模擬できることを確見地からのリスク評価を行い、かつその成果に基認している。

づく普及啓発が十分ではなかったことが挙げられ生体を用いた実験が倫理的側面から限定されるる。本研究は、高精度かつ視覚化したリスク評価

本問題に関し、社会的ニーズとして熱中症データデータに基づき、普及啓発に有意な資料を提供すの蓄積に加え、準リアルシミュレータを構築できるものである。例えば、以下のような意義が挙げれば、特殊環境における、リスク評価も実施できられる。

る。現在代表者が開発したコードを市販のワーク(1)高齢化社会の到来に伴う肉体労働者の高齢化ステーションで解析した場合は、16 時間程度の解に伴い、職業環境（プラント、建設現場など）に析時間を要するため、本研究目的である①高速化、おける熱中症対策が急務である。例えば、同じ職②データの蓄積、ともに不適である。そこで、現場においても、日時によって熱負荷は異なり、体在、共同研究者（東北大学サイバーサイエンスセ

温、生理反応は異なり、それを事前に視覚的に示ンター）と SX-9 における動作確認、さらには新たすことは対策につながる。に導入されるスーパーコンピュータシステム(2)職業環境化、あるいは猛暑環境におけるスポー[SX-ACE]への移植について検討を行っている。こツ（2020 年 7 月～8 月東京オリンピックなど）ののコードの特徴は、ミリメートル程度の分解能を実施および観戦においてリスク情報を提供でき、考慮した電磁界・熱の物理計算（4500 万格子点）対策を促すことが期待できる。に加え、（ベクトル化、並列化に工夫を要する）ヒ(3)熱中症に関する教育は、現在、中学生を対象とトのシステムバイオロジーを定式化し、高速に複した技術家庭の時間で実施されており、一部の教合解析を実施することを目指す。しかし、高速化科書では申請代表者らの成果を採用、今後、更なを行う上でベクトル化効率の向上が必要不可欠とる高信頼性化による若年者を中心とした国民教育なるため、専門的知識が必要となる。

へ一層の貢献ができる。

4. 前年度までに得られた研究成果の概要
3.

当拠点公募型共同研究として実施した意

本年度がＪＨＰＣＮ制度を使った初年度である。

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れた成果は以下のとおりである。

による生体に関わる電磁界および熱シミュレーシ[1] 75 歳以上（後期高齢者）における熱中症リスョンコードの開発を行ってきた。計算解剖人体モクが高まる理由が、体内深部温度センサーの劣化

デルは、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 万点にづき、我が国の猛暑日の環境下における若者とのおいて物理計算を行う。その際、人体を構成する相違を提示した。

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

定数を、外気温に伴う温度上昇には熱定数を割りが、胎児の高い代謝量によるものであることを解当てて解析する。特に、熱負荷に対する体温変化明。の解析では、皮膚あるいは体内深部に存在する温[3] 65-75 歳（前期高齢者）における熱中症リス度センサーにより、温度上昇を軽減する作用、いクが高まる理由が、体表面（皮膚に存在）温度セわゆる体温調整機能（血流および発汗率）が変化

ンサーの劣化によるものであることを立証。

する。また、湿度、あるいは発汗量により、体表[4] 小児と成人の生理学的相違は大きくないこと

面の状況は時々刻々と変化し、冷却効果などを含を示す。太陽光および暑熱の同時ばく露により、めた精緻な計算がある。この解析手法は、サウナ子供のリスクが高まる理由は、体形差のみで説明
2

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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
できること、また脱水症状になりやすい理由を説

月期)であったのに対し、2011 年 8 月の報道発表明した。

以降は 0.11 名／月と大幅に減少したことは啓発

上記の成果を、マスメディアなどを通じて広く活動の有効性を示すものである。

普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

5. 今年度の研究成果の詳細

以上、人民日報、新華社通信など中国における数

5.1.

解析の手順

百紙に掲載されるとともに、国内テレビ出演 50 件

体温上昇解析のフローチャートを図 1 に示す。

以上（おはよう日本、報道ステーションなど）、企

図より、解析を実行すると、始めに 28 oC 環境下画協力（世界一受けたい授業など）を行った。ま

における熱定常状態の初期温度分布を読み込む。

た、遊戯事業および小売業における業界誌あるい次に、人体モデルや発汗モデルの設定、また外気は社員教育用資料などの協力を行った。なお、2014

温などの環境設定を入力する。それから、生体熱年に実施した後期高齢者に関する熱中症リスク上輸送方程式による温度上昇を計算、またその計算

昇解明の報道発表では、東北大学のスーパーコンを行う際、発汗率の変化や血流量の変化など、熱ピューターを利用した成果を含んでいたが、その調整機能を組み込んだ計算を行う。このフローチ成果は、中日新聞／東京新聞では夕刊１面に、まャートに従って、解析を行う。特に、物理計算とた共同通信が発信した情報をもとに 20 社以上、中異なり、温熱生理（システムバイオロジー）の部

国紙（人民日報など）100 以上が「スーパーコン分は、条件文などを含み、高速化には適していなピューター」の利用であることを明記し、スーパいアルゴリズムである。そのようなアルゴリズム

ーコンピュータシステムによる解析の重要性を国に対して、mask などを生成させることにより、で民に知らせた。

きるだけベクトル化および並列化が適した形に変定量化がしやすい子供の車内放置による死者数

更を加えた。以下の節では、その概略を述べる。

は、2000 年から 2010 年まで約 0.4 名／月(5－103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 中間報告書 2015 年 11 月

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 DO70
Speed Up

60

Theoretical Value
Speed Up

50

Approxiamte Curve4030201000図 2. ベクトル化に適したループ

1632
Number of Process4864

図 3. 並列プロセス数の増加に対する計算時
5.2.

ベクトル化間の加速率

東北大学が有するスーパーコンピューターを 1 プロセスとして割り当てた。

SX-ACE はベクトル処理を活用すると、高い性能を得ることができる。このことから、ベクトル計算異なる並列プロセス数に対し、プロセス数の増に適したコードを作成する必要がある。ベクトル加に対する計算時間の加速率を図 3 に示す。図よ計算に適したループの例を図 2 に示す。言語はり、並列プロセス数の増加に伴って並列処理効率

fortran90 にて記載する。図より、最内側のルーが顕著に低下することはなく、加速率は上昇してプ長を最長にすることで、ノード当たりの計算要いる。しかしながら、理論値 64 倍に対して、並列素数を増加させることが可能となる。このように、プロセス数が 64 の場合に得られた加速率は、34.6

さまざまなループレベル最適化[12]を施すことで、 倍となった。これは主に演算量のインバランスにベクトル化率とノードあたりの性能を向上させた。 よる並列化率の低下や、ノード間通信時のデータ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。

5.2. 並列化
コードを並列化する際、MPI(Message Passing

ベクトル化、並列化を行ったコードを SX-ACE にInterface)を用いて並列化を行った。MPI とは、実装し、暑熱ばく露における体温上昇を解析した

分散メモリ間のデータ処理分割やデータ転送を担

例を図 4 に示す。図は 3 時間の暑熱ばく露(37 oC)

うメッセージパッシングの標準規格であり、コーを行った際の体表面温度を表している。左から 3

ドから呼び出すサブプログラムのライブラリであ歳児、22 歳相当の成人男性、65 歳相当の成人男性、る。MPI を用いて並列化を行った理由として、並75 歳相当の成人男性、成人女性となっている。

列化手法には、タスク並列用の自動並列化や図より、他のモデルに比べて、75 歳相当の成人OpenMP(Open Multi-Processing)、データ並列用の男性の体表面温度が最も大きく上昇していること

MPI などがある。今回、解析コードを並列化するが確認できる。これは、発汗機能の相違によるも上で、タスク並列と MPI を併用したハイブリッドので、高齢者は若年者よりも発汗量が少なく、発MPI、MPI のみを用いたフラット MPI をそれぞれ実汗の開始が遅れるためである。

装して、実行時間を比較した。その結果、フラッ6. 今年度の進捗状況と今後の展望

ト MPI の方が効率よく計算を高速化できたため、フラット MPI を用いた。
具体的に行った並列化処理としては、人体モデ
ルを Z 軸方向各平面に分割し、それぞれの 1 平面4

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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
本課題では、マルチノード利用によるペタフロであったことを付記する。

ップス級計算を可能とする熱ソルバーのアルゴリ②成人男性モデルを用いた熱定数、熱生理機能のズム開発と、大規模ベクトル計算基盤における高個体差の体温変化に与える影響の試算（2015 年 7

効率計算を可能にする超並列化およびベクトル化

月～9 月）

技術の研究開発に取り組み、実用的な大規模解析10 月以降に実施する様々な状況下における解析手法の構築を目指した。現在、直交格子の課題でのパラメータを確認、これまで報告されている実ある体表面の解像度を補うアルゴリズムの改良、測例と比較、項目①の有効性を確認する。特に、また、ヒトの生理学的モデル化に関わるコードの発汗能力の差（5 パターン程度）の影響についてベクトル化およびその評価を行い、副代表である検討する。

東北大学サイバーサイエンスセンター・江川との協力により解決を目指した。

共同研究の進捗①SX-Ace への実装のためのプログラムチューニン

項目①が順調に進んだため、日本気象協会とのグおよび試験計算（2015 年 4 月～継続中）連携を図り、プレスリリースを行った。このこと

年度最終目標であるデータベースの構築に加え、 により、実気象データとの今後、共同研究者であ気象データとの連携を視野に、準リアルタイム熱る田中悟志と連携し、熱生理の考察を行っていく中症リスクをめざし、可能な限りの高速化を行う。

予定である。

主担当は、副代表者の江川を中心に、代表者・平田および大学院生が補佐する。同時に、平田と田資源利用状況

中で生理現象の定式化を改良する。項目①以降も、初年度ということもあり、チューニングに時間随時、チューニングを行う。成人男性を 2mm の解を要しているが当初想定されていた以上の高速化像度で実施した場合、１条件に対し、約 1 分で解を達成した。そのため、申請していた資源を十分析が可能となった。一概には比較できないものの、利用していない。今後は、高解像度の人体モデル

一般的なワークステーション（CPU ：Intel® Xeon®

（解像度 1mm）でより熱ばく露の持続時間が長い

W5590 @3.33GHz , 4 コア×2）において、7～16 時状況を模擬することが想定され、下半期について間程度（状況、生理反応のモデル化による）必要は計算利用が増す予定である。
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 中間報告書 2015 年 11 月

み（トップニュース）

7. 拠点及び共同研究先のセンターへの要望g) テレビ朝日（ワイド！スクランブル）2015 年 7

初年度の利用ですが、東北大学サイバーサイエ

月 14 日（全国）ンスセンターの技術職員殿のサポートには満足しh) ＣＢＣ（イッポウ）高齢者宅における環境と熱ており、要望は特にありません。

中症リスク（特集），2015 年 8 月 7 日（東海地区）

8.

研究成果リスト(1) 学術論文a)平田晃正， “複合物理で考える熱中症リス
ク ,” 電 子 情 報 通 信 学 会 誌 ， vol.98, o.7,pp.604-606, 2015.
(2) 国際会議プロシーディングス
該当なし(3) 国際会議発表
該当なし(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6