【研究分野】数理情報学

【研究領域課題番号】17K00028 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

組合せ最適化 / アルゴリズム / ストリーミングアルゴリズム / 劣モジュラ関数 / マトロイド / マッチング / 近似アルゴリズム / コミュニティ検出 / ストリーミング計算 / 数理工学 / 情報基礎 / 数理モデル

【研究成果の概要】

本年度は，昨年度に引き続き，大規模なネットワークを解析するための基本的な問題のひとつである，制約付き劣モジュラ関数最大化問題を扱い，この問題に対するストリーミングアルゴリズムの計算複雑度の解析に取り組んだ．昨年度に，制約付き劣モジュラ関数最大化問題に対する近似不可能性と空間複雑度との関係の解明に取り組み，入力データがストリームとして与えられメモリが制限されている状況において，0.585近似よりよい近似比を達成するアルゴリズムが存在しないことを示した．この成果は，本年度に論文改訂を経て査読付き論文誌SIAM Journal on Discrete Mathematicsに採択された．また，組合せ最適化における基本的な概念であるマトロイドに関連して，買い手が動的に市場にやってくる組合せ市場での価格付け問題に取り組み，昨年度に得た成果を改善したものが査読付き論文誌SIAM Journal on Discrete Mathematicsに掲載された．さらに，二部マッチングマーケットにおいて，エージェントが確率過程にもとづき出入りする場合に，貪欲アルゴリズムなど基本的なアルゴリズムの漸近的性能と各エージェントの待ち時間との関係を解明した．この成果は，ウェブとインターネット経済に関する査読付き国際会議The 17th Conference on Web and Internet Economics(WINE)に採択された．

【研究種目】基盤研究(C)

【研究期間】2017-04-01 - 2023-03-31

【配分額】4,420千円 (直接経費: 3,400千円、間接経費: 1,020千円)

【研究分野】反応工学・プロセスシステム

【研究領域課題番号】17H04964 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

医薬品製造 / プロセス設計 / スーパーストラクチャー / 数理モデル / シミュレーション / シングルユース / 連続生産 / iPS細胞 / バイオ医薬品 / 固形剤 / ソフトウェア / 社会実装 / 医薬品開発 / アルゴリズム / 意思決定 / ソフトウェア実装 / 多目的評価 / 注射剤 / ヒトiPS細胞 / 多目的意思決定 / モデル化 / 感度解析 / 多目的プロセス設計 / データ駆動型 / 化学工学 / プロセスシステム工学 / ソフトウエア

【研究成果の概要】

本研究では、医薬品製造プロセスの設計手法開発と、支援ツール実装に取り組んだ。バイオ医薬品注射剤の無菌充填プロセス（調製・ろ過滅菌・充填等）について、シングルユースとマルチユースの選択支援手法を構築し、ソフトウェアのプロトタイプ版をオンラインで公開した。固形製剤の製造プロセス（混合・造粒・乾燥・打錠等）について、連続生産も考慮したスーパーストラクチャを構築し、それに基づく設計手法と、ソフトウェアを開発した。iPS細胞の凍結プロセスについて、冷却温度プロファイルなどの設計変数を決定するモデルを構築し、設計に応用できるようにした。これらの成果を通じ、医薬品製造プロセス設計の体系化に貢献した。

【研究の社会的意義】

本研究成果の学術的意義は、医薬品製造プロセスの設計に関して、従来あいまいだった目的関数、設計変数、制約条件を定義し、これらを定量的に扱うための数理モデルを構築したうえで、新しい設計のアプローチを示した点にある。固形剤や注射剤、幹細胞などの幅広い対象で、構築したモデルや手法を応用したことで、構築したアプローチの有用性が示された。また、ソフトウェアツールとしての実装は、実際のプロセス設計への応用に大きく貢献するものである。本研究成果は、医薬品製造プロセスのより迅速な設計や、新薬の早期上市と高効率プロセスでの生産といった、様々な社会的意義を持つものである。

【研究種目】若手研究(A)

【研究期間】2017-04-01 - 2021-03-31

【配分額】18,330千円 (直接経費: 14,100千円、間接経費: 4,230千円)

【研究分野】社会システム工学・安全システム

【研究領域課題番号】16K12828 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

施設配置問題 / 数理最適化 / 避難モデル / 退避壕 / 火山災害 / 最適化 / 避難施設 / 最適化モデル / 時空間ネットワーク / 最適配置問題 / 数理モデル / 火山 / アルゴリズム

【研究成果の概要】

火山噴火の際に，登山者や周辺住民が安全に避難するための避難施設の配置方法を決定する数理モデルを構築した．特に，噴火時にランダムに飛来する噴石を，確率モデルを用いて表現し，登山者が退避壕に安全に避難する経路を求めるための問題を定式化した．その上で，避難者が最も安全な経路を選択した場合に，期待避難者数を最大化する配置問題，避難困難地点の避難確率を最大化する問題，一定の避難確率を保証する条件下で最小の施設数を求める問題等を構築し，最適解の特徴を比較した．さらに噴石の飛来の密度が噴火口からの距離と時間に依存して変化することに着目し，時空間ネットワークを用いた拡張モデルを構築した．

【研究の社会的意義】

実際の現場において退避壕の具体的な配置計画を立てる際には，火山の特性，登山者や周辺住民の人口分布，予算総額などの，各事例に特化した様々な要因を考慮する必要がある．一方で，基礎となる数理モデルを構築した上で，最適な計画案を導くための枠組みを整備することも重要な課題であるが，こうした試みはこれまで十分になされてこなかった．本研究は，オペレーションズ・リサーチの分野で古くから研究されてきた，施設配置問題の枠組みを土台として，退避壕を適切に整備するための新しい問題を構築し，火山防災対策に資するための基礎となる数理モデル構築を行った．

【研究種目】挑戦的萌芽研究

【研究期間】2016-04-01 - 2019-03-31

【配分額】3,250千円 (直接経費: 2,500千円、間接経費: 750千円)

【研究分野】社会心理学

【研究領域課題番号】16H06324 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

集合現象 / 計算論的アプローチ / 認知・行動実験 / 種間比較実験 / 神経・生理実験 / 集合行動 / 群知能 / アルゴリズム / 比較実験 / 行動・認知実験 / 生理・脳活動計測 / 数理モデル / 進化・適応

【研究成果の概要】

(a) 種間比較実験、同期化に関する神経・生理実験： カラス飼育群を用い、２個体間の攻撃交渉に関する数理モデル（Winner-Loser効果）データで，集団レベルの攻撃交渉ネットワーク実測値を説明できるか調べた。同モデルはオス間ネットワークを説明でき，上位オスの攻撃によって維持されていることが示唆された。また、外界刺激に対する精神物理的判断がペア間でどのように同期するのかについて強化学習によるモデル化と、認知・神経的機序についてfMRI実験による検討を行った。他者と競合する場面での意思決定における脳活動計測において、右側頭頭頂接合部が他者の存在の認識に関わり、左側頭頭頂接合部は他者が自分の選択を予測することの認識を反映することを明らかにした。
(b) 理論モデル： 集団が知識を獲得する際、個体学習のコストを誰が支払うかという社会的ジレンマが存在する。そこで集団内の個体間順位に着目し数理モデルを作成して調べたところ、劣位個体が個体学習を行う解が進化的に安定になることを発見した。
(c) 協力・分配規範の発生と変容に関する集団実験：公共財ゲーム場面において罰の導入がどのような効果をもたらすのか、協力規範に対するCrowding Outの観点から大規模集団実験により検討した。罰と繰り返しのある公共財問題ゲームにおける行動の個人差を階層的強化学習モデルによって定量化した。社会的選好を取り入れたエージェントの振る舞いを表現するための効用関数測定法を検討するとともに、効用関数のタイプの多様性を取り入れた実験モデルを構築した。社会的価値志向性課題を使って、一卵性双生児と二卵性双生児の社会行動傾向について検討した。
(d) 研究成果の公刊と国際ワークショップの開催： 研究成果を国際誌を中心に公刊するとともに、国内外の学会で発表した。社会的意思決定をめぐる国際ワークショップを開催した。

【研究種目】基盤研究(S)

【研究期間】2016-05-31 - 2021-03-31

【配分額】182,650千円 (直接経費: 140,500千円、間接経費: 42,150千円)

【研究分野】マルチメディア・データベース

【研究領域課題番号】26540041 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

プライバシー / k-匿名化 / 濡れ衣 / 個人情報 / パーソナルデータ / 位置情報 / 属性情報 / 情報基礎 / アルゴリズム / プライバシー保護 / 匿名化 / 主観確率 / 数理モデル

【研究成果の概要】

個人の情報を保護したデータ開示法の一つにk-匿名化がある。k-匿名化されたデータを人間が閲覧した際に、データに含まれた人間に対して不利益を生ずるような推測がなされる場合がある。本研究ではこの現象をk-匿名化が誘発する濡れ衣と呼び、濡れ衣を発生させうる属性を持つ機微なレコードに着目し、濡れ衣の発生を軽減するk-匿名化法を提案する。滞在位置情報、およびカテゴリー情報も含む一般的な場合に対して、実データに対して濡れ衣を発生させうる機微属性を付与したデータセットを用いて実験を行い、提案手法を用いると濡れ衣を軽減したk-匿名化を実現出来ることを確認した。

【研究種目】挑戦的萌芽研究

【研究期間】2014-04-01 - 2016-03-31

【配分額】3,640千円 (直接経費: 2,800千円、間接経費: 840千円)

【研究分野】社会システム工学・安全システム

【研究領域課題番号】25282089 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

都市工学 / 施設配置問題 / 時間軸 / 数理最適化 / 最適配置問題 / 数理モデル / 時空間ネットワーク / オペレーションズ・リサーチ / 整数計画問題 / アルゴリズム / 都市・地域計画

【研究成果の概要】

都市における人の流れに着目し，施設の配置場所とサービス提供時間帯を同時に最適化する数理モデルを構築し，鉄道網上での配置分析を行った．具体的には，(1) 終業後の帰宅途中に施設へ立ち寄りサービスを受ける状況において早く帰宅できるほど望ましい点を考慮したモデル，(2) サービス提供時間帯のどこかで一定時間以上立ち寄ればよいモデル，(3) サービス提供時間を可変とした拡張モデル等を提案した．さらに，オリンピック開催期間中の観戦客輸送に関わる数理モデル，ネットワークを段階的に改変するための数理モデルなど，時間軸を幅広い視点で捉え，理論と事例研究の両面から様々な研究を行った．

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2013-04-01 - 2017-03-31

【配分額】5,980千円 (直接経費: 4,600千円、間接経費: 1,380千円)

【研究分野】生命・健康・医療情報学

【研究領域課題番号】25870190 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

バイオインフォマティクス / RNA / RNA二次構造 / アルゴリズム / RNA結合タンパク質 / 文脈自由文法 / RNA進化 / 進化 / 構造進化 / RNA構造進化 / 数理モデル / 確率文脈自由文法 / 集団遺伝学 / 合祖理論 / 二次構造

【研究成果の概要】

細胞内のRNA分子は、遺伝子に書き込まれた情報がタンパク質になり生理的な機能を発揮する上で非常に重要な役割を持つ。RNA分子の立体構造は、ステムと呼ばれる局所的二重らせん構造（二次構造）の３次元的な配置としてよく理解されることが知られており、二次構造の性質を解明することは、RNAの機能を理解する上で重要である。本研究において、我々は、メッセンジャーRNAや長鎖非コードRNAと呼ばれる長大なRNA分子に対して、その二次構造的性質を正確に計算することができるアルゴリズムの開発に世界で初めて成功した。また、RNA結合タンパク質の結合領域周辺がどのような二次構造的特徴をもつかを計算する手法も開発した。

【研究種目】若手研究(B)

【研究期間】2013-04-01 - 2017-03-31

【配分額】4,160千円 (直接経費: 3,200千円、間接経費: 960千円)

【研究分野】社会システム工学・安全システム

【研究領域課題番号】18710139 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

都市解析 / 都市計画・建築計画 / 数理モデル / 最適化 / 施設配置 / モデル化 / アルゴリズム

【研究成果の概要】

交通網や都市施設の望ましい形態や配置を追求するための基礎的研究を行った.
特定の交通網がもつ特性を分析するために,その上での様々な移動に対し,移動の起・終点間の直線距離と,最短距離の直線距離に対する比の2変量に着目し,この同時分布を用いる方法を提案した.この比は移動の効率性を測る基礎的な指標であり,提案した同時分布を用いることで,移動距離に応じて移動効率がどのように変化するかを把握することができる.提案指標を用い,格子状網を有する仮想的な都市モデルを用いた分析を行った.正方形領域において,辺に平行な格子状網が存在するモデルと辺に45度で交わる格子状網が存在するモデルを用いて,同時分布を解析的に導くことに成功した.これにより,単純な比の分布のみからは分からない様々な情報を導いた.
都市施設の最適配置問題に,人々の時間軸上の行動や施設の開設時間帯を考慮した新たなモデルを提案した.就業者が帰宅途中に一定時間サービスを受ける場面を想定し,サービスを受けられる人数を最大化するように,サービス提供揚所とサービス時間帯を同時に決定する問題を提案した.連続平面やネットワーク空間での定式化を行い,様々な状況設定の下で具体的な数値例を用いて比較した.その結果,地点毎の最適なサービス開始時刻が異なる様子などを具体的に示し,配置場所のみを扱った既存モデルにはない新しい知見を得ることに成功した.さらに,時空間移動コスト(移動コストに待ち時間コストなどの時間コストを導入したもの)最小化問題など,このモデルを土台として展開可能な様々なバリエーションモデルについて検討した.

【研究種目】若手研究(B)

【研究期間】2006 - 2007

【配分額】1,400千円 (直接経費: 1,400千円)