工学解析って何？！　日本オンリーワン株式会社

FRONTGUI

Windows/MicrosoftのフリーのシステムとしてVisual Sutudio　Expressがある。ヴァージョンは2005，2008ExpressがあってMicrosoftのHPからダウンロードできる。VBを初め、C#,C++,J++，SQL　Serverなどがある。特別なDLLを付加しないのであればこのExpressヴァージョンでほぼすべてのシステムが作成できる。ドットネットフレームワークも必要であるが、一緒にインストールできて永久ライセンスも取得できる。使わない手はない。

東大生産研陳工学博士のFrontGUIは、ドットネットVBで作成されたがこのExpressヴァージョンのVBで動くことが確認されている。ドットネットVBからコンバージョンが自動でなされプロジェクトも完全に動作している。

陳氏のFrontGUIは、フリーウエアを中心に構成されていて、プリのGmsh、計算部は生産研のFrontSTRとFrontFlow/blue、ポストはロスアラモス研究所のフリーウエアparaviewで組み上げられている。インストーラーも完備しているのでインストールも簡単で使いやすい。

Gmshでモデルデータのメシュを切って解析にかかる形式に変換、計算条件・境界条件・物性値をセットするのがVBで設計された画面のGUIでできる。

Gmshの生成するメッシュの品質は、今度のバージョンでかなりよい事が確認されており、測ったところアスペクト比でマックスが２～３であり計算が安定的にメッシュの形状から来る不安定さは排除されている。ポストのparaviewもよく考えられている可視化ソフトで思う可視化画像を出力できて保存できる。

当社日本オンリーワン株式会社は、東大生産研陳工学博士からこのFrontGUIの販売権を取得するつもりであり、VB2008Expressでソースの管理もできることから、これからの展開が楽しみである。

陳氏は、JAXAで構造解析を担当していたので解析には何の手間がかかって、どこが一番勘所かを知っているので、こういった勘所をPG化させたFrontGUIは使い勝手が非常によい。30分ぐらいで一通りの手順が覚えられるのを体験した。

Linux考

自分のPC、デスクトップPC、ノートPCをマルチブートにしてWindowsとLinuxの両方を使えるようにすると面白い。HDDの余裕があるなら是非ともそうすべきである。

Linuxは、低スペックのPCでも動作するのでWindowsが走るPCであれば、まず動作する。

Fedora系のFedoraCore、RedHat、CentOS、Debian系のDebian、Ubuntu、それとVine、Turbo、MiracleなどのLinuxのディストリビューターが存在して有料のものもあるが、前提はオープンソースの無料のものが多い。

無料のLinuxでも充分動作保障がされてからディストリビュートされるので安全であるが、完全オープンソースの性質があるので自己責任で所有することになる。自己で責任をとるのであればフリーでサービスする思想である。GPLの本来の思想それは、すべての人、貧富・身分・境遇・人種に関係なくGPLのソフトを使ってお金儲けをしてくださいということで無料で配布し、改変時に報告の義務がある。そうやってGPLソフトの普及と育成を考えていて、ディストリビュータの運営資金は、財団とか大企業の献金とか寄付とかである。

才能さえあれば、どのような人でもリッチになれる、というアメリカンドリームを代表するような考えである。

バグレポートとかメーリングリストとかコミュニティとかあって盛んに交流しあっており、頻繁に個々のシステムのバージョンアップがなされ、Linux起動時に更新の確認をするほどパッチ当てとかバグフィックスについては対応が早い。Windowsでは、バグフィックスとかパッチ当てはMicrosoftに任せ切でいつ対応するか分からないことが多い。しかしLinuxは、メールで報告したり通知したりするとボランティアの誰かが対応してパッチを書いてアップしたりするので対応が早い。

当社日本オンリーワン株式会社は、64BitのCentOS、ScientificLinuxをはじめ、他のFedoraCoreとかUbuntuにも興味を持って対応している。またWindowsとLinuxの混在環境とか仮想化技術にも興味を持っている。

科学技術分野のみならず、マルチメディア分野、通信分野、ビジネス分野、教育分野などのすべての分野のツールとかシステムをオープンソースにすることが、マサチューセッツ工科大学AIラボのストールマンの思想で当社は、このOSSの恩恵にあずかる所が多い。

複雑な現象の解析

複雑な現象を考えて解こうとするとき、人は単純な結論に導こうと考える。難しい問題を難しく説くのではなく、小学生でも分かるまで噛み砕いて単純な考えに訳して解明しようとする。

単純なステップの組み合わせで考えて、結論をこの考えで説明する。

絡まった糸を解く作業と似ていて、決して全体を一緒くたに扱ってはならず、丹念に一箇所を攻めつつ解いてゆく。

分からないこと・難しい現象は、分かっていること・現象より多く存在し、こんなことがという事が分かっていないことが間々ある。解くのに手間がかかるとか異なる因子を持つデータが観測されたりするものは、数多い。

東大生産研でやっと連成解析を解くツールが出始めてやっと流体・構造の連成現象の解の一部を捉えることができた。複雑系というのは、何も流体・構造の連成だけに限らず数限りなく存在する。丸ごと解析といっても注目する現象のソルバーに限りがあるので、完璧に解く事は難しい。

そのため流体構造連成現象を説明する際には、流体現象の切り口ではこの様、構造的現象の切り口ではこの様と切り口を分けて説明してゆくことが好いであろう。両方をいっぺんに可視化するツールなどもあるがやはり分けて説明するほうが分かりやすく最後に両者の係わり合いとか影響度などを説明して行くのが好いと考える。

物体と物体の相互作用とか物体と流体の相互作用とかの他にもまだまだ限りなく存在している複雑系の現象に皆が関心を持ち始めており、米国サンタフェの研究者たちの間で複雑系現象の解明は永遠のテーマであることからも今の科学技術の粋を尽くさねばならない。熱、流体、構造、電磁気、電気、電子、生体、化学、環境、土木、建築、金融、経済、心理など様々な分野で複雑系は存在しており、モデルを作るときから狙う現象と現象が進むシナリオを考えねばならない。何がどういうことでこうなっているのか実験で注意深く事細かに観察し、現象の進む過程とか相互関係がどういう風にあるのか思い浮かべられるかが、その後の解析の精度に大きく関わってくる。

計算機は、何でも答えとして出してくるので、計算機でとかこのツールでとかを鵜呑みにすると危険であって、この考えは捨てるべきである。

モデルの単純化・組み合わせ・相互作用の過程を見ていって、手順を追って説明して行くべきである。計算結果から全部を説明するには、幾度とトライしなくてはならずあくまで、計算は解の一部を示していることに過ぎないと考えるべきである。

バッチシステムとリアルタイムシステム

計算機パワーが必要で長時間のタスクは、サブミットしてバッチジョブに投入することが多い。バッチシステムでは、このようにサブミットした瞬間に人間と計算機の接点が一旦切れる。計算データを格納する場所を確保したり、セーブする手間をPGで行わなくてはならない。

タスク終了後、計算データを調べたり、加工してグラフ化・映像化する可視化の作業にも別PGが必要であり、データを受け渡す作業が必要で予めこういったことを考えて用意しなくてはならない。人間の目に見えるように計算データを加工するまで長時間の手間の要る作業である。

ここで人間の脳とこういった計算機のバッチシステムを比べてみると人間の脳は、リアルタイムシステムであるといえる。

計算が違うのなら計算途中でも修正していって、正しいと考えられる方向に答えを修正していけるのが人間脳である。

初め間違った考えで間違った答えを出しても、正しいと検知する方向に修正していけて、それをリアルタイムで処理している。

PG本体を修正していって正しい方向性へ答えを修正していける究極のリアルタイムシステムである。

また脳は、何かの答えを出す際に数値で演算していない。

神経に流れる電流とかホルモンの量を調整して、五感でフィードバックをかけながら、答えを動作として出す。

今のスパコンの延長上に人間の能はないのかもしれない。

しかしスパコンの援助なしにもはや考えを構築することが難しい時代であって、バッチの計算タスクを数こなしていって、人間の脳とのコラボによって難問の新しい答えにたどり着くのが現状である。

スーパーコンピュータ考

現代のスパコンとは、超並列の高速演算や大容量メモリの大型コンピューターを意味する。日本は、日立製作所、富士通、NECが大学中心にサービスしており、スパコンが製作できる国としての意義がある。

私も埼玉大学大学院の院生時代に東京大学の大型計算機センターを利用しており、その当時日立製のM-200とかM-280、それとNECのS-810,820を利用した。ベクトル演算の考えが出始めた頃で、IAPの会議などにも出席した。今から約25年前のことである。

その頃は、まだTSSが全盛でメモリ４MB、２００MFLOPS程度の性能であったが今や数１０テラFLOPS、テラバイトメモリが一般的である。次世代はベクトル演算とスカラー演算で１０ぺタフロップスの性能を出すコンピュータを神戸ポートピアに建設中であり、設計も詳細設計の段階にある。

大学とか企業の研究所とかにスパコンが多く入っていることから学術的でなにかすごい物で敷居の高いもののように考える人が多い。そう思っても仕方ないのかもしれない。企業の研究職とか技術職が主に使っていると何か荘厳で近づきがたいイメージがある。

しかしこういった考え・イメージは間違えであり、思い違いとか誤解であると考える。スパコンに携わる人が作った勘違いである。

スパコンが荘厳で何か権威のあるものではなく、それを使用する人にそういった意味合いがあって、その人たちがこういった考え・イメージを作り上げた。

スパコンに携わる人は、もっと寛容であれと思う。

徹底的にこの思い違いを排除して、もっと敷居の低いものとスパコンをイメージ付けしたい。

子供でも使えて、思うままの考えをPG化してシミュレーションするツールと位置づけたい。平たく言えば、子供から大人まで使える「考える道具」としたい。

子供が触るのはダメというのではなく、子供でも触れて動作させられるソフトを用意して開放的にしてゆきたい。

シンプルでかつ複雑な思考をしてゆきたい。ここでシンプルかつ複雑といっているのは、シンプルな考えとかデータを大量に組み合わせることで複雑である体系が生じるという意味でこう表現した。

オプテロンベースで並列計算のタスクマシンが、大型計算機で一般であるが、単体ではオプテロンなのでLinuxやWindowsの６４Bitマイコンである。これをクラスター化して並列計算できるように仕立てている。単体は個人でも購入可能なほど安くなっているのが現状である。

LinuxのKDEデスクトップで子供にコンピュータの教育をしている地方自治体も出てきていることであり、もっと計算機を誰でも使える「考える道具」としたい。

そのためGUIとかマン・マシンインターフェイスとかを充実させてゆけば、その日も近い。

マン・マシンインターフェイスは、現状マウス・キーボード・タブレット・トラックボールが主流だがもっと異なる形態を考える必要がある。任天堂のWiiのマン・マシンインターフェイスは、面白い例である。究極的にいえば脳波を直接センサーで検知してぬ入力に使うという研究もある。

人間にストレスの少ないマン・マシンインタフェイスがあって、そこから多量のデータを検出できて、それがスパコンの入力データとなれば非常によい。任天堂Wiiの例は、たかがゲーム機でそんなものと考えるのは違うと思う。

最後にスパコンを子供に触らせる国プロジェクトでも立ち上げればよいと思うことを記す。

連成現象の解析

連成現象の解析について、示す。ここでは、流体現象と構造の現象がお互いに影響を及ぼす問題を例にする。

流体・構造の連成現象は、時間Δｔの中で両方の変動現象が生じているプロセスを示しており、それがお互いに影響している現象である。

この現象の解析には、時刻ｔと時刻ｔ＋Δｔの間のΔｔの内に流体解析と構造解析を解かなくてはならない。

流体が構造に影響する、影響された構造が流体に影響をバックする、こういった現象では、まず流体の基礎方程式を解き、流体と構造の接触面で状態量（ここでは圧力・温度など）を構造の方程式に渡し、その状態量で構造の変位などを計算する。変位した量を流体の計算領域に渡し、メッシュを切り直すとかメッシュを変形させて流体領域を修正しなくてはならない。

東大生産技術研究所吉村教授作成のREVOCAPは、こういった連成現象を忠実にシミュレーションできる。試し計算の例は、流体中にフレキシブルな円柱が置かれ、流体圧によって撓り、撓りきったところで微弱振動しているところまでシミュレーションできている。流体のレイノルズ数の条件によっては、左右に揺れるところまでシミュレーションできるに違いない。

当社は、このREVOCAPの商用権も得ており、こういった連成現象にも対応できる力をつけて行き、解析業務の事業化を計画している。