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報告書

Error estimation in observed acceleration data toward V&V of a seismic simulation

鈴木 喜雄; 飯垣 和彦

JAEA-Data/Code 2018-009, 41 Pages, 2018/09

JAEA-Data-Code-2018-009.pdf:3.14MB

原子力施設全体を対象とした耐震シミュレーションの検証・妥当性確認(V&V)に向け、観測により得られた加速度データに含まれる誤差を推定するためのアプローチを提案する。V&Vのプロセスにおいて、シミュレーション結果と実験/観測結果を比較するには、実験/観測データに含まれる誤差を推定する必要がある。観測された加速度データには、観測システム自身が有する計測精度に関わる誤差と、観測システムが計測したデータに含まれ得る外乱から生じる誤差の二つがあると考えた。これらの誤差を推定するため、加速度計測システムの仕様に基づく手法と、時系列解析手法をそれぞれ用いることとした。また、実際の手順を明確にするため、これらの手法を日本原子力研究開発機構大洗研究開発センターの高温工学試験研究炉(HTTR)で観測された加速度データに適用している。

論文

Investigation of error estimation method of observational data and comparison method between numerical and observational results toward V&V of seismic simulation

鈴木 喜雄; 川上 義明*; 中島 憲宏

Mechanical Engineering Reviews, 4(1), p.15-00525_1 - 15-00525_18, 2017/01

耐震シミュレーションの検証と妥当性確認(Verification and Validation: V&V)に向けて、観測結果に含まれる誤差を見積もる方法と、見積もった誤差を用いて観測結果とシミュレーション結果の比較を行う方法について、これまでどのような方法が利用あるいは提案されているか調査した。調査の結果、観測結果に含まれる誤差を見積もる方法としては、分解能、直線性、感度温度係数、零点変動の温度係数、横感度などの記録時における誤差混入、換振器特性によるそれら誤差の増幅、エイリアジングの影響と後処理段階での零基線設定などを考慮し、それぞれから生じる誤差を個別に見積もるとともに統合して見積もる必要があることが分かった。観測結果とシミュレーション結果の比較を行う方法としては、これまで、主に6つの方法が利用あるいは提案されており、それぞれどのような利点・欠点があるか整理した。その結果、比較を行う方法は必ずしも十分確立されておらず、各方法を欠点を考慮しながら利用していく、いくつかの方法を組み合わることでそれぞれの欠点をカバーしていく、あるいは、新たな方法を模索していく必要があることが分かった。

論文

「京」利用による次世代耐震シミュレーションの例証

中島 憲宏; 鈴木 喜雄; 宮村 浩子; 西田 明美; 川上 義明; Guo, Z.; 富山 栄治*

計算工学, 20(4), p.3338 - 3340, 2015/12

HPCI戦略プロジェクトの分野4ものづくりにおける課題5「原子力施設等の大型プラントの次世代耐震シミュレーションに関する研究開発」の研究開発内容について解説した。例証は高温工学試験研究炉を対象としている。FIESTA(Finite Element Analysis for Structure of Assembly)を京上に実装し、その並列化効率や実装効率を報告した。また、大規模可視化技術による可視化事例も報告した。

論文

Time domain response analysis for assembly by integrating components

中島 憲宏; 西田 明美; 川上 義明; 鈴木 喜雄; 松川 圭輔*; 大嶋 昌巳*; 井土 久雄*

Transactions of 23rd International Conference on Structural Mechanics in Reactor Technology (SMiRT-23) (USB Flash Drive), 10 Pages, 2015/08

システム計算科学センターではFIESTAと呼ぶ組立構造解析コードをベースとした仮想振動台の研究開発を展開している。本報では、千代田化工建設と協力し、石油プラントのストラクチャーの仮想振動台実験を実施した結果について報告する。仮想振動台実験を用いた数値実験では、石油プラントのストラクチャーを詳細に部品毎にモデル化し、部品毎に作成された有限要素分割モデルを統合して、組宛て構造解析コードを用いて、動的解析を実施した。時刻歴応答解析では、オンサイト波等4波を用いて京コンピュータで計算した。いずれの計算でも俯瞰的には従来の解析技法による結果が保守的であることを確認でき、詳細な部位の計算では仔細な構造挙動の分析が可能となった。

論文

Numerical modeling assistance system in finite element analysis for the structure of an assembly

中島 憲宏; 西田 明美; 川上 義明; 鈴木 喜雄; 沢 和弘; 飯垣 和彦

Proceedings of 23rd International Conference on Nuclear Engineering (ICONE-23) (DVD-ROM), 5 Pages, 2015/05

数値解析結果の妥当性を推定する手段の一つを提案する。有限要素法による構造解析をスーパーコンピュータの並列計算機能を活用して実行し、解析結果の相違を分析するとともに、入力データである有限要素分割の粗密を変更した解析結果を分析し、数値計算的な確かさを推定するシステムを提案する。解析結果を表現する解析結果モデルの形成過程は、データベースで機能IDとその計算手順のリストによって記述する。解析モデルマネージャは、計算手順を記述したリストの順序によって、すなわち複数の数値計算手続きにより、シミュレーションを実行することで、目的とするシミュレーションの数値計算解を出力する。その結果、目的とするシミュレーション結果が複数生成されることから、これらの結果の相違を比較し分析することで、解の正確さを推定する。本論での数値実験は静解析と動解析で実施し、その正確さを判断するための必要な手続きを明らかにした。数値実験は、京を用いて行った。

論文

4次元データにおける特徴領域探索のための2次元可視化

宮村 浩子; 河村 拓馬; 鈴木 喜雄; 井戸村 泰宏; 武宮 博

情報処理学会論文誌, 55(9), p.2216 - 2224, 2014/09

数値シミュレーションでは、ある変量軸を設定して計算し、その変量の変化に応じて結果が変化する様子を観察することが行なわれる。対象となるモデルが3次元である場合、シミュレーション結果は4次元となる。このような4次元以上の多次元データの解析は、空間軸と変量軸で構成された多次元空間内を精査して特徴領域を特定する必要がある。しかし、多次元かつ大規模な対象データから特徴領域を探し出す作業は、膨大な手間と時間を要する。さらにすべての特徴領域を見逃しなく発見することは困難である。本研究では、4次元データから特徴領域を発見するために、動画像解析技術である時空間画像を応用した2次元可視化手法を提案する。具体的には、8分木構造を用いて空間軸を作成し、その軸と垂直に変量軸を作成することで4次元データを2次元画像として可視化する。実際に提案手法を原子力施設の耐震シミュレーション結果と固有値解析シミュレーション結果に適用し、応力値が相対的に高い領域の発見や、周波数ごとに影響を受ける領域の探索を実施した。その結果、提案手法を用いることで複雑かつ大規模な4次元データから特徴領域を効率的に発見できることを確認した。

論文

設計計算モデリングの動的支援技法

中島 憲宏; 西田 明美; 川上 義明; 鈴木 喜雄

日本機械学会第24回設計工学・システム部門講演会講演論文集(USB Flash Drive), 9 Pages, 2014/09

計算科学を用いたアナリシスとして有限要素法を用いた構造解析やシミュレーションが活用され始めて久しい。実現象、特に「ものづくり」における利用条件を想定したなかでの設計対象の構造分析をシミュレーションすることはやさしくない。一層合理的な設計対象の分析を可能とするために、シミュレーショ手続きを動的に管理制御し、創発的方法論に基づく設計対象の構造分析を「京」のような並列計算機を活用して、その考え方を実装した。その結果、適切な解析解の推定を可能とする見通しを得た。

論文

Assembly structure analysis system

中島 憲宏; 西田 明美; 松原 仁*; 羽間 収*; 鈴木 喜雄; 沢 和弘; 飯垣 和彦

Transactions of 22nd International Conference on Structural Mechanics in Reactor Technology (SMiRT-22) (CD-ROM), 10 Pages, 2013/06

原子力発電所のような原子力施設は、一千万点以上の部品から構成される組立構造物である。原子力施設は巨大で複雑な構造をしており、大地震時の施設の応答挙動を分析しておくことは必須である。本論では、原子力施設のような沢山の部品から組立てられる構造物の地震時の応答挙動を評価するための、数値シミュレーション技術について報告する。本シミュレーションは、大型構造物である組立品とその構成部品を全体と局所の両面から解析するものである。また、高性能計算機環境である分散及び/又は並列コンピューティング環境で動作するように実装した。本論では、組立構造解析システムの概要と機能について報告し、数値実験とその結果について報告する。実装したアルゴリズムを検証するため、片持ちモデルでの理論解との比較実験を行い、その結果、数値計算誤差範囲での一致を得た。応用実験として、並列コンピュータに組立構造解析システムを実装し、組立構造物のシミュレーションを、原子力機構の高温工学研究炉のデータを用いて計算し、その結果を示した。

論文

可視化入門

宮地 英夫*; 荒木 文明*; 鈴木 喜雄

可視化入門, 224 Pages, 2013/01

可視化とは、「見えないものを見えるようにする」、「見えているものをよりわかりやすくする」ことである。広義には時間を見えるようにする時計、車の速度を見えるようにするスピードメータも可視化の装置といえるが、本書では数値シミュレーションにおける結果の確認、評価及び伝達を目的として、シミュレーション結果の画像処理にしぼって紹介する。本書は、可視化を行うにあたってのPC環境やデータ変換処理の仕組みから、コンピュータグラフィックの基本的知識、可視化手法とそのパラメータの設定方法、数値シミュレーションにおける可視化の役割、プレゼンテーションにおける可視化の考え方までを丁寧に解説している。

論文

原子力施設のための3次元仮想振動台システムの研究開発への取り組み

西田 明美; 鈴木 喜雄; 山田 知典; 木野 千晶; 鵜沢 憲*; 宮村 浩子; 河村 拓馬; 武宮 博; 中島 憲宏

RIST News, (54), p.33 - 37, 2013/01

原子力施設は複雑かつ巨大な構造物であり、多数の部品から成り立っている。このような複雑・巨大構造物の挙動をシミュレーションしようとするときには、解析技術だけではなく、プリポスト処理を含めた総合的なシステムとしての視点が重要となる。そこで、システム計算科学センターでは、構造部品を部品単位で認識し、必要な解析のためのデータを組み上げていく組立構造解析アプローチを提案し、原子力施設のような複雑・巨大構造物の挙動解析のためのフレームワークを試作した。これまでに、原子力機構大洗研究開発センターにある高温工学試験研究炉の建屋や機器のデータを用いた数値実験を行い、原子力施設全体での大規模地震応答シミュレーションが可能であることを実証した。本稿では、3次元仮想振動台システムのフレームワーク、システムの核となる組立構造解析アプローチ、結果評価のための可視化技術、および、3次元仮想振動台システムの適用研究として2011年より着手した地震リスク評価への試みについて述べる。

論文

R&D of a zooming analysis to verify a seismic simulation of an entire nuclear plant

鈴木 喜雄; 星 芳幸*; 坂本 健作; 中島 憲宏

Proceedings of 4th International Conference on Computational Methods (ICCM 2012) (USB Flash Drive), 9 Pages, 2012/11

原子力機構では、巨大地震下における原子力施設の耐震評価のさらなる向上のため、原子力施設全体の挙動解析を可能とする3次元仮想振動台の研究開発を実施している。3次元仮想振動台には、原子力施設全体をシミュレーションする、地盤-建屋-機器(ビームモデル)の統合構造シミュレーションと、機器の詳細な振る舞いをシミュレーションする、部品から機器(ソリッドモデル)への組立構造シミュレーションが含まれる。ここで機器を構成する数千部品のソリッドモデルの品質を調査するため、統合構造シミュレーションの機器の一部を対象とし、その機器を構成する少数部品のみを組立構造シミュレーションするズーミング手法を採用することとし、そのためのツールを試作した。本ツールを検証するために、さまざまな断面形状を持つ片持ち梁モデルの静的解析と動的解析に本ツールを適用した結果、図心の微修正が必要となる場合があるが、リッドモデルの結果はビームモデルの結果とおおむね一致することを確認した。また、本ツールを原子力施設の少数部品の静的解析に適用した結果、ソリッドモデルとビームモデルの結果の誤差が10%以下となっていることを確認した。

論文

R&D of validity evaluation system for seismic simulation of entire nuclear plant

鈴木 喜雄; 宮村 浩子; 中島 憲宏

Proceedings of 20th International Conference on Nuclear Engineering and the ASME 2012 Power Conference (ICONE-20 & POWER 2012) (DVD-ROM), 9 Pages, 2012/07

近年、原子力施設全体規模の耐震挙動等、実事象を扱える全容シミュレーションが可能となってきている。シミュレーションは、「偶発的な不確かさ」や「認知的な不確かさ」などさまざまな「不確かさ」を含んでいるため、このようなシミュレーションを用いて現象を正確に把握するには、これらの不確かさの度合いを定量的に導出し、低減する必要がある。このため、不確かさの度合いとして計算確度を導出し、評価するためのシステムを研究開発している。本システムは、現在、(1)局所の不確かさの要因を分析するためのツール、(2)局所の不確かさが全体の不確かさへ及ぼす影響を分析するためのツール、(3)計算確度を導出するためのツール、の3つのツールから構成されている。本論文では、特に、(1)に含まれる、シミュレーション結果から特徴的な分布を持つ領域を自動的に抽出し誤差評価結果と合わせて表示する機能について詳細に述べる。また、(1)の機能を、われわれが実施している原子力施設全体規模の耐震シミュレーションに適用し、ピーク応力の分布を抽出した結果を示す。

論文

原子力施設の耐震シミュレーションのV&Vの研究開発

鈴木 喜雄; 西田 明美; 鵜沢 憲; 中島 憲宏

計算工学講演会論文集(CD-ROM), 17, 4 Pages, 2012/05

原子力施設全体規模の耐震シミュレーションから得られる結果を評価し、実事象を推定することを目的とし、V&Vの研究開発を実施している。本研究では、原子力施設全体の耐震シミュレーションにこれまで広く用いられてきたビームモデルでの解析と、われわれが研究開発してきた、複数部品(ソリッドモデル)を組み立てて解析可能な組立構造解析の結果を比較するために、ビームモデルの一部を組立構造解析に置き換えて解析するズーミング解析を行えるツールを試作した。本システムを、さまざまな断面を持つ片持ち梁モデルへ適用し、システムが正しく動作することを確認した。

論文

Current status and future direction of full-scale vibration simulator for entire nuclear power plants

鵜沢 憲; 渡辺 正; 西田 明美; 鈴木 喜雄; 武宮 博

High Performance Computing on Vector Systems 2011, p.171 - 184, 2012/01

システム計算科学センターでは、原子力施設の安全・安心を担保するため、計算機内に振動実験台を構築し、原子力施設の全容シミュレーションを可能とする技術(3次元仮想振動台)の研究開発に取り組んでいる。これまで、3次元仮想振動台実現のための要素技術の一つとして組立構造解析法を提案してきた。本技術の応用研究として、大洗研究開発センターの高温工学試験炉HTTR構造の大規模振動解析に適用し、課題解決に寄与することができた。また、科学技術振興機構が推進するCRESTプロジェクトにおいて、原子力施設の地震耐力予測シミュレーションを可能とする計算機環境の構築に寄与した。また、平成23年度より、3次元仮想振動台実現のための要素技術の一つとして流体解析技術の研究開発を開始した。原子力施設の運転に障害をもたらす可能性のあるスロッシングへの地震の影響を確認するため、スロッシングの特性を分析可能な気液二相乱流モデルの提案を行った。また、流体が構造に与える影響をより精緻に評価するためには、乱流の効果を考慮する必要がある可能性を示唆した。

論文

Fault-tolerant mechanism of both job execution and file transfer for integrated nuclear energy simulation

立川 崇之; 手島 直哉*; 鈴木 喜雄; 武宮 博

Progress in Nuclear Science and Technology (Internet), 2, p.591 - 597, 2011/10

発電プラントの耐震評価や核融合プラズマの安定制御など原子力システムを対象とした統合シミュレーションを実施するには、さまざまな要素コードを長時間連携させた計算が必要となる。従来からさまざまな連携制御支援ツールが開発されているが、連携できるシミュレーションが限られたり、コードに大幅な修正を要するという問題が存在する。さらに、長時間に及ぶ連携実行では、計算機やネットワークの予期せぬ停止や、計算時間超過による処理の打ち切りが発生する可能性があり、それらへの対処も必要である。これらの要因により、統合シミュレーション実現には多大な労力を要していた。本研究では、要素コード間で授受されるデータファイルの仕様及び関係を定義する一般的な枠組みを構築し、多様なプログラムをほとんど修正することなしに連携可能とした。また、長時間継続実行を支援するために、シミュレーションの停止やファイル転送の障害を検知する機能と障害発生時点からの自動再実行機能を実現した。本機能を核融合,地震耐力等多用な原子力統合シミュレーションコードに適用し、1%以下のコード修正で1週間以上に及ぶ自動実行が可能であることを確認することで、有効性を検証した。

論文

Full-scale 3D vibration simulator for an entire nuclear power plant on the simple orchestration application framework

Kim, G.; 中島 康平*; 手島 直哉*; 立川 崇之; 鈴木 喜雄; 武宮 博

Progress in Nuclear Science and Technology (Internet), 2, p.634 - 638, 2011/10

原子力機構では、地震時における原子力発電施設の健全性に関する確認手法の高度化を目指し、原子力プラント耐震性評価用三次元仮想振動台の構築を実施している。数千部品からなる原子力発電施設全体を対象とした解析は、膨大な計算を要することから単一の計算機では困難である。本課題を解決するための一つの手段として、グリッド上の複数の計算機を連携させて計算を実施することを提案する。その際、連携する複数の計算機上でジョブの投入,ジョブ間ファイル転送,ジョブ再実行などといったプロセスを何度も行う必要がある。従来の仮想振動台ではこれらのプロセスが自動化されていなかったため研究者が手動でやらなければならず大きな手間になっていた。本研究では、これらのプロセスの自動化を実現するために、統合シミュレーションフレームワークの機能に取り組んだ。また、その機能を利用して開発したグリッド対応三次元仮想振動台アプリケーションを用いて高温工学実験研究炉を対象にした施設全体規模の弾性解析を実施し、一週間に及ぶ自動長時間計算に成功した。本実施により、プロセス自動化の有効性を確認することができた。

論文

Spatio-temporal mapping; A Technique for overview visualization of time-series datasets

宮村 浩子; 林 幸子*; 鈴木 喜雄; 武宮 博

Progress in Nuclear Science and Technology (Internet), 2, p.603 - 608, 2011/10

近年、数値シミュレーションはスケール規模が増大しており、高次元の結果が得られている。そのため、物理的現象を理解することは困難な作業となっている。この問題に対して、われわれは情報可視化技術を用いて空間と時間に沿った情報提示技術,時空間マップを提案することで解決を図る。時空間マップは、空間・時間の軸を備えた2次元空間に、3次元空間に分布する時系物理情報を写像して高次元データの特徴を示す。ここで、3次元空間情報はoctreeによる空間分割によって1次元へ写像することとした。この時空間マップを用いることで、ユーザは高次元データから興味ある時空間領域を迅速に発見できる。さらに、ユーザは、対話式に時空間マップの詳細度やカラーマッピングを変更することができる。最後に、原子力施設の耐震解析に提案手法を用いて、迅速に特徴領域を発見できることを確認した。

論文

Visualization of blurry images of liquid by multi-scale analysis

宮村 浩子; 呉田 昌俊; 瀬川 麻里子; 久保 純*; 斎藤 隆文*; 鈴木 喜雄; 武宮 博

Visualization of Mechanical Processes (Internet), 1(3), 8 Pages, 2011/10

ハイフレームレート中性子ラジオグラフィーが開発され、これを用いることで高速に動作する自動車のエンジン内のオイルを記録することが可能になった。しかし、記録された画像に写るオイルは不明瞭であるため、オイルの振舞いまで精緻に捕らえることは難しい。そこでわれわれは、マルチスケール画像処理技術を用いて、この問題を解決することを試みた。本技術は、画像を明瞭にし、さらにオイルのスケールに応じて分類できる特徴を持つ。そのため特定のスケールに注目して観察できる。さらに、時空間画像を用いて、時間変動するオイルの振舞いを観察することも提案する。これらの技術によって、注目すべき時空間領域を注意深く観察できる。

論文

Visualization of blurred images of liquid by multi-scale analysis

宮村 浩子; 呉田 昌俊; 瀬川 麻里子; 久保 純*; 斎藤 隆文*; 鈴木 喜雄; 武宮 博

Proceedings of 11th Asian Symposium on Visualization (ASV-11) (CD-ROM), 4 Pages, 2011/06

大規模かつ複雑な原子力シミュレーションや実験施設から生成される膨大なデータを効率的に解析するための画像解析技術を産業界の課題に適用した事例について報告する。日本原子力研究開発機構と日産自動車は、中性子ラジオグラフィを使用した高速度カメラを開発し、車のエンジン内部でオイルが流れる様子を取得した。しかし、記録された画像は不明瞭であり、詳細にオイルの動きを可視化し、解析することは困難である。そこで、この問題を解決するために、画像を強調する効果のある画像処理技術であるマルチスケール解析手法を適用する。さらに、詳細な理解がなされていないオイルの動きを把握するための時空間画像解析手法を提案する。本発表では、これら画像解析技術の適用に関する有効性について議論する。

論文

原子力施設の耐震シミュレーションのための妥当性評価システムの研究開発

鈴木 喜雄; 宮村 浩子

計算工学講演会論文集(CD-ROM), 16, 4 Pages, 2011/05

近年、原子力施設全体規模の耐震挙動等、理論や実験で直接扱うことが困難な現象を扱える全容シミュレーションが可能となってきている。このようなシミュレーションを用いて現象を正確に把握するには、結果の妥当性評価,実現象の推定が不可欠である。しかしながら、このための方法論は十分確立されていない。われわれの最終目的は、この方法論の確立により、原子力施設全体を対象とした全容シミュレーションから実現象を推定可能とすることである。このため、原子力施設全体の耐震シミュレーションから得られる結果を対象として、妥当性評価及び実現象推定のためのシステムの研究開発を進めている。本研究では、シミュレーションに内在する種々の「不確かさ」の要因把握の一つとして、離散化に起因する不確かさを考慮して物理量の特徴的な空間変化を自動的に抽出するシステムを試作した。本システムを、システム計算科学センターが研究開発している、原子力施設の耐震シミュレーション(三次元仮想振動台)へ適用し、誤差評価を伴って応力値の空間変化を抽出できることを確認した。

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