基礎理工学科大阪電気通信大学・工学部 |
- モデリング＆シミュレーションとはなんぞや？
モデリングやシミュレーションという言葉を聞いて、みなさんはどんなものを想像しますか？
「モデリング....？」
「プラモデルやジオラマのことかな？」
「シミュレーション....？」
「ビデオゲームのフライトシミュレーターはよく知ってるけど、、、」
「恋愛シュミレーションや対戦シミュレーションゲームなんてのはどうかな？」
そうですね。
これらはみんな、現実あるいは空想上のモノや事柄の特徴を捉えて、それを、机の上に模型として、あるいは、コンピュータのディスプレイ上に再現しています。この、特徴を捉えるというのが、モデル化、あるいはモデリングに相当し、それを別の形で再現するのが、シミュレーションに相当します。
しかし、これらだけが、モデリング＆シミュレーションではありません。実は、我々の生活の全てがモデリング＆シミュレーションであると聞いたら、どう思いますか？
子供の頃を思い出してみましょう。赤ちゃんが言葉や動作を覚えるときには、親や兄弟のお喋りや仕草を真似ることから始めますよね。このとき、赤ちゃんは小さな頭で一生懸命に、おとうさんやおかあさんの声や仕草の特徴を捉え、それを、自分でまねています。この、特徴を捉えるというは、まさにモデリングであり、それを真似るというのは、シミュレーションです。赤ちゃんがもうちょっと大きくなって子供になると、ままごとやヒーローごっこといった、いわゆる「ごっこ遊び」を好んでするようになります。このごっこ遊びもまた、何かの特徴を捉えるというモデリングと、それを自分で真似るというシミュレーションを遊びの中で実行しているのです。
ちなみに、物真似は、特にエミュレーションとよばれています。
大人になってからも、毎日がモデリング＆シミュレーションの積み重ねです。例えば、休日の過ごし方や仕事や勉強の計画を立てるとき（一般的には計画を立てることは、プランニングと呼ばれていますが、考え方はモデリングと同じです）、我々は、特に意識することなく、頭の中であるモデルを仮定しそれが実現するかどうかをシミュレーションしています。
例えば、
「今日は、お昼に、友達と梅田駅で待ち合わせだ。」
というとき、梅田駅までの交通経路を想定し、それに要する所要時間を計算して、間に合うように身支度を整えて家を出るというのは、無意識にモデリングとシミュレーションを実行しているのです。
ここで、モデリングが正確で、現実的なシミュレーションが出来ていれば、時間通りに梅田駅に到着し、友達と会うことができます。もし、モデリングやシミュレーションがいい加減だと、予定よりも早く着きすぎて、無駄な時間を過ごす羽目になったり、あるいは、遅刻して友達を待たせてしまうことになります。
スポーツの世界では、トップアスリートはイメージトレーニングによって、自己の能力を高めることができます。ここでも、スポーツ選手の頭の中でモデリングとシミュレーションが行われており、精度の良い正確なイメージトレーニングの出来る選手ほど、イメージトレーニングの効果は高くなります。カリスマと呼ばれるような、料理人や美容師、アーティストや会社経営者なども、彼らの頭の中では、常にイメージトレーニングと同じようなモデリング＆シミュレーションが行われているのでしょう。そのような特別な職業の人々以外でも、日常の家事や仕事を要領よくこなす人の頭の中では、家事や仕事の手順や方法が正しくモデリング＆シミュレーションされているために、手際よく仕事が片付くのです。以上のようなモデリング＆シミュレーションは、我々の人生において、日常的に必要とされ、誰もが実行していることなのです。しかし、その結果については、人によってまったくばらばらで、同じことをやっても要領よく、うまくいく人もいれば、まったくとんちんかんなことをやってる人もいます。そうのような差は、どこから生まれるのでしょうか？それは、意識的に、あるいは無意識的に、正確なモデリング＆シミュレーションを実行しているか否かという点にあります。
あなたも、モデリング＆シミュレーションの能力を上達させたいと思いませんか？
科学的なモデリング＆シミュレーションを行うということ
ビデオゲームのフライトシミュレータや、恋愛シミュレーションなどのビデオゲームでは、現実の乗り物の動きや、異性の心理を科学的に分析し、それを元に、コンピュータを使ってモデリングとシミュレーションを行っています。ただし、ゲームとして面白く、また、プレーヤーにとって都合が良くなるようにモデリングされているため、ある部分では現実とはかけ離れたシミュレーションが行われています。それはそれで、ゲームを成立させるためには必要なことなのですが、現実を対象とする場合は、そう簡単ではありません。ゲームなら、それでも構いませんが、現実の飛行機が現実の自然法則を
無視したモデリング＆シミュレーションの基に設計されていれば、そんな飛行機は安全に飛ぶことはできません。自然法則は、必ずしも、人間の都合の良いようには出来ていないので、現実社会で役に立つモデリング＆シミュレーションを行うためには、対象となる現象や事象をよく研究し、その性質を科学的に整理して理解する必要があります。
例えば、飛行機の設計であれば、飛行機にかかる重力や、慣性力、空気抵抗といった力は離陸から着陸まで、また天候によっても激しく変わります。また、乗客や荷物の重量は、常に一定とは限りません。それに伴って、燃料の消費量も変るし、飛行中に燃料の重量も徐々に減っていきますが、その減り方も一定ではない。また、万が一の場合に備えて、不時着しても乗客を守るような機体の構造も考えなければなりません。自動車の設計でも、同じように考えなければならないことは山ほどあります。自転車やベビーカーだって、手抜きはできません。建物や、ダム、発電所などは、本来の目的を果たすように設計することはもちろん、地震に耐える構造も要求されます。乗り物や大きな構造物だけではありません。家電製品や医療機器、文房具や台所用品まで、それを設計し製品として実用化するためには想定されるあらゆる状況を考慮しなければなりません。商品として売れるためには、機能だけでなくデザインも重要です。しかも、ほとんどの場合、開発にかかる費用と時間、人手は限られています！
どのようにして、これらの条件を満たすようなモデリング＆シミュレーションが行われているのでしょうか？
その答を一言で書くならば、「科学の力を借りて行っている。」と言えるでしょう。とは言え、科学といっても様々ですが、特に重要なのは、「物理学の法則」と「数学的解法」です。一見複雑怪奇に見える乗り物の動きや、建物の構造ですが、それらはたった数個の物理学の法則に支配されているに過ぎません。その法則を元に、方程式をつくり、数学的に解くことで、ほとんどの問題が解決します。コンピュータが発達する以前には、技術者や科学者・数学者は、人手で計算できる範囲でモデリングとシミュレーションを行っていました。しかし、人間の計算能力には限りがありますので、計算しきれない部分は、模型や試作品を作りながら試行錯誤して、あるいは、職人としての経験などに頼って問題を解決していました。しかし、現代では、高性能のコンピュータが発達していますので、高精度のモデリングとシミュレーションを行えるようになってきています。これによって、模型や試作品を作って試行錯誤を重ねる必要が大幅に減り、開発にかかる時間や費用の節約に繋がっています。
しかし、コンピュータは、あくまでも、人間が行うモデリングとシミュレーションに従って、計算を行うだけなので、コンピュータの性能が上がったからといっても、もともとのモデリングやシミュレーションがいい加減であっては、その結果の信頼性があがることはありません。結局は、どれだけ現実に近いモデリングとシミュレーションを行うことができるかが、決め手となります。
モデリングとは、現実に存在する物体、あるいはこれから作ろうとする物体の構造や動作が、どのような物理学の法則に従って成り立っているか、その法則を見つけだし、数式や数値として表わすことであると言えます。また、シミュレーションは、その数式や数値に従って、物体の構造や動作を計算し、現実の物体の構造や動作を再現させること、あるいは、これから作ろうとする物体が、どのような動作をするかあるいは、実現可能な構造をしているかどうかを計算結果を元に調べることであるといえます。従って、できるだけ現実に近いモデリングやシミュレーションを行うためには、物理学の法則と数学的解法に精通していることが必要になってきます。
実際にモデリング＆シミュレーションが使われているいくつかの例を挙げてみましょう。
（１）構造計算の例です。
ここでは、主に「フックの法則」という物理学の法則が使われています。建物の柱や壁に地震による強い力が加わったときに、その変形の程度から建物が地震に耐えるかどうかを研究することができます。建物以外にも、乗り物や日用品など、様々なものの強度や構造を調べることができます。
（２）熱計算の例です。
ここでは、主に「熱伝導方程式」という物理学の方程式が使われています。コンピュータや携帯電話に使われている電子部品は、高集積化が進み消費電力が増えることで、その発熱が問題になっています。電子部品が適度に冷却さるかどうかを、熱の伝わり方から温度分布を計算することで研究することができます。エンジンや防火壁などの研究にも使われています。
（３）電磁場計算の例です。
ここでは、主に「マクスウエル方程式」という物理学の方程式が使われています。強い磁場を発生する超伝導電磁石、効率の良い発電機やモーターの設計には、電磁場計算が必須です。必要な磁場や電場を発生させることができるかどうか計算によって調べることができます。ＭＲＩなどの医療機器や、ハイブリッドカー用のモーターなどの研究にも使われています。
モデリング＆シミュレーションには、「物理学の法則」と「数学的解法」が必要であることは、なんとなっくでも分かっていただけたと思います。
つぎに、モデリング＆シミュレーションの精度をさらに上げるために必要な、
実験・計測・データ処理の話をしましょう。
