農業と食料
畑、家畜、池、サプライチェーンを、供給が需要に応えられるかを見積もるために、先へ動かします。
コンピューターが生まれるずっと前から、人は農業を紙の上でモデル化してきました。輪作の計画、収量の表、繁殖の記録は何世紀もさかのぼります。いまのデジタルモデルは、天候、土壌の化学、病気の広がり、市場のショックを、一回の計算の中で結びつけます。収穫、家畜の増え方、不足を前もって予測できます。同じ種類のモデルが、一枚の畑の灌漑のタイミングから、一つの地域全体の飢饉の早期警戒まで使えます。農場の門の先にも及び、発酵、調理、冷却、食品の追跡まで扱います。
作物の成長と収量のモデル
単一の作物の畑を、葉面積、バイオマス、穀粒のプールに単純化し、天候、播種日、管理から日ごとに動かします。
答える問い: この畑はどれくらい収穫でき、いつ植えるべきでしょうか。
含まれないもの： 畑を空間的に一様として扱うので、水浸しの場所や種の蒔き方が足りない場所など、内部のばらつきは表されません。
動かすのに必要： 約1010 FLOPS 概算 ノートパソコン、野外調査の1シーズンにつき数秒最初の年： 1965 1965年までに、de Wit のオランダでの初期の作物成長モデル
土壌中の水と養分の輸送
水が土壌の層にしみ込み、栄養分が動き、結びつき、流れ出るようすを、断面に沿ってセルごとに追います。
答える問い: 水と肥料は、どれくらい根に届き、どれくらい流れ去るでしょうか。
含まれないもの： 土壌が、モデルの格子が仮定するほどきれいな層になっていることはありません。
動かすのに必要： 約1010 FLOPS 概算 シーズン通しのプロファイル実行に使うデスクトップ機最初の年： 1972 1972年までに、灌漑研究のための初期の土壌水収支モデル
害虫と植物の病気の広がり
昆虫、菌類、細菌が、風、雨、動物、交易に運ばれ、助けたり妨げたりする天候の中で、作物や地域に広がります。
答える問い: 流行はどこまで、どれくらい速く広がり、どこで封じ込めるべきでしょうか。
含まれないもの： 報告された感染拡大が真の範囲だと仮定していますが、実際にそうなることはまれです。
動かすのに必要： 約1011 FLOPS 概算 地域、複数シーズンの実行に使う大学のクラスター最初の年： 1980 1980年までに、小麦のさび病とジャガイモの疫病の広がりのコンピューター・モデル
灌漑のスケジューリング
土壌水分と作物の水需要を日ごとに追い、いつ、どれだけ灌漑するかを決めます。
答える問い: この畑は、いつ、どれだけの水を必要とするでしょうか。
含まれないもの： ポンプ、水路、天気予報がすべて想定どおりに動くと仮定しています。
動かすのに必要： 約109 FLOPS 概算 農場のコンピューターやスマートフォンのアプリで動きます最初の年： 1975 1975年までに、灌漑農場のための水収支に基づくスケジューリング・モデル
土壌侵食と土地の劣化
降雨、流出、耕起が斜面の土を削り、堆積物として斜面を下って畑の外へ出ていく様子を追います。
答える問い: この畑はどれくらいの表土を失い、どんな方法がそれを遅らせるでしょうか。
含まれないもの： 主に温帯の農地で較正されているため、ほかの気候にはうまく当てはまりません。
動かすのに必要： 約1010 FLOPS 概算 集水域規模の実行に使うデスクトップ機最初の年： 1965 1965年までに、汎用土壌流亡方程式とそのコンピューター上の後継
作物の育種シミュレーション
植物の品種どうしの仮想の交配を、シミュレートした世代を重ねて進め、どの遺伝子の組み合わせが最良の品種を生むかを予測します。
答える問い: 何百万もの可能な交配のなかで、現場で行う価値があるのはどれでしょうか。
含まれないもの： 紙の上での遺伝子の効果は、実際の放牧地での働きとは必ずしも一致しません。
動かすのに必要： 約1012 FLOPS 概算 数千の仮想の交配を選別する大学のクラスター最初の年： 1990 1990年までに、植物の育種プログラムで使われる遺伝シミュレーション
精密農業の最適化
畑を小さな区画に分け、それぞれに土壌と収量の履歴をもたせて、区画ごとに最適な種子、水、肥料の量を割り出します。
答える問い: 畑全体ではなく、この区画そのものには、どれくらいの資材が必要でしょうか。
含まれないもの： 良いセンサーデータが必要ですが、ほとんどの農場にはまだどこにもそろっていません。
動かすのに必要： 約1010 FLOPS 概算 ひとつの畑のセンサーマップを処理する農場のノートパソコン最初の年： 1995 1995年までに、収量マッピングと可変施肥のモデル
複数モデルによる作物アンサンブル
同じ天気と気候の入力で多数の作物モデルを動かし、そのばらつきから、収量予測の不確かさがわかります。
答える問い: 将来の気候のもとで、収量の予測はどれくらい不確かでしょうか。
含まれないもの： 害虫、極端な現象、管理の変化は、均等には扱われていません。
動かすのに必要： 約1012 FLOPS 概算 全球の格子上で動く数十のモデル最初の年： 2013 The Agricultural Model Intercomparison and Improvement Project, AgMIP (2013) 出典
土壌有機炭素の回転
土壌中の炭素は、温度、水分、植物からの供給に応じて異なる速さで分解するプールのあいだを移動します。
答える問い: 畑の土壌炭素は増えているのか減っているのか、そして何がそれを変えるのでしょうか。
含まれないもの： プールは概念的なもので、直接測ることはできません。
動かすのに必要： 約105 FLOPS 概算 ノートパソコンで月次のプールのシミュレーション。最初の年： 1977 Jenkinson と Rayner による、ロザムステッドの古典的な実験におけるいくつかの土壌有機物の回転。 出典
農業流域の汚染モデル
河川流域の降雨、作物、土壌、農法をシミュレートして、水、堆積物、栄養塩の流出を求めます。
答える問い: 農法が違うと、川にはどれくらいの栄養や堆積物が届くでしょうか。
含まれないもの： 較正には多くのデータが必要で、圃場レベルの管理は推測です。
動かすのに必要： 約109 FLOPS 概算 ワークステーションでの流域規模の日単位のシミュレーション。最初の年： 1998 Arnold らによる、広域の水文モデリングと評価、モデル開発。 出典
全球の格子型作物モデルのアンサンブル
多数の作物モデルを、同じ気候シナリオのもとで世界の格子上で動かし、そのばらつきから、予測される収量の不確かさがわかります。
答える問い: 気候シナリオのもとで、世界の作物の収量はどれくらい変わり、その不確かさはどれくらいでしょうか。
含まれないもの： モデルは、害虫や極端な高温など、足りない過程を共有しています。
動かすのに必要： 約1013 FLOPS 概算 クラスターで、多数の作物モデルを数十年にわたって全球で動かします。最初の年： 2013 Rosenzweig らによる、農業モデル相互比較・改善プロジェクトの手順。 出典
土地利用と採用についての農場のエージェントベース・モデル
それぞれの土地、労働力、隣人をもつ農家が、何を育て、どの技術を採用するかを決め、技術革新が空間的に広がります。
答える問い: 農家は、価格、補助金、技術にどう反応するでしょうか。
含まれないもの： 農家の判断は、単純化されたルールでモデル化されています。
動かすのに必要： 約108 FLOPS 概算 ワークステーションで地域のエージェントベース計算。最初の年： 2001 Berger による、技術の普及と資源利用に応用した農業のエージェントベースの空間モデル。 出典
農薬耐性の管理モデル
散布を受ける害虫の集団が抵抗性を進化させます。レフュージ（非散布区）、薬剤のローテーション、混用といった戦略を比べます。
答える問い: どんな散布の戦略が、抵抗性の出現をいちばん長く遅らせるでしょうか。
含まれないもの： 耐性のコストと害虫の移動は不確かです。
動かすのに必要： 約106 FLOPS 概算 ノートパソコンで集団遺伝モデル。最初の年： 1977 Comins による、農薬耐性の管理。 出典
アグリボルタイクス（営農型太陽光発電）の光の分け合いモデル
作物の上の太陽光パネルは、作物に動く影を落とします。そのため、配置、葉に届く光、作物の成長を、発電量とあわせてシミュレートします。
答える問い: 同じ畑が、日光を分け合うとき、食料とエネルギーをどれくらい生み出せるでしょうか。
含まれないもの： 部分的な日陰に対する作物の反応が知られているのは少数の種だけで、パネルの下での水と温度の影響は単純化されています。
動かすのに必要： 約109 FLOPS 概算 1レイアウト、1シーズンあたりワークステーションで数時間。最初の年： 2011 Dupraz らによる、太陽光パネルと食用作物を組み合わせた土地等価比のモデル。 出典
植物の構造の成長モデル
分枝と老化の植物学的なルールから芽ごとに植物を組み上げ、成長する木や作物の3次元の形を得ます。
答える問い: 植物の枝分かれの癖は、空間の埋め方と光の受け方をどう決めるでしょうか。
含まれないもの： 成長の規則は一つの種と環境に合わせて調整されており、風、近くの木、損傷への反応は限られています。
動かすのに必要： 約108 FLOPS 概算 プラント1つにつき数秒から数分。最初の年： 1988 de Reffye らによる、植物の構造と発達に忠実な植物モデル。 出典
有効積算温度による害虫の生物季節モデル
しきい値を超えた熱が毎日積み重なることで、昆虫がいつ羽化し、繁殖し、作物に害を及ぼす段階に達するかが決まります。これで散布の時期を決められます。
答える問い: 害虫が、防除の効く段階に達するのは何日でしょうか。
含まれないもの： 昆虫は温度に直線ではなく曲線で反応し、植物上の微気候は気象観測所の天気とは違います。
動かすのに必要： 約104 FLOPS 概算 ノートパソコンでは取るに足りない量で、多くの地点で毎日実行されます。最初の年： 1976 Allen による、昆虫の有効積算温度（度日）を計算する修正正弦波法。 出典
不妊昆虫放飼モデル
大量に育てた不妊の雄を野生の個体群に放すと、雌と交尾しても子が生まれません。その数が減っていく様子を追います。
答える問い: 害虫を根絶するには、不妊の昆虫を何匹、どれくらいの期間放す必要があるでしょうか。
含まれないもの： 野生の雌が不妊の雄を拒むことがあり、外から入ってくる昆虫が放飼の効果を打ち消すことがあります。
動かすのに必要： 約105 FLOPS 概算 ノートパソコンで数秒から数分。最初の年： 1955 Knipling による、不妊化した雄を使った昆虫の防除・根絶の分析。 出典
土地利用変化のエージェントモデル
それぞれ自分の目標と情報を持つ地主と農家が、区画ごとに何をするかを決め、その結果としての土地被覆が数十年にわたって地図に描かれます。
答える問い: 政策、道路、作物価格の変化のもとで、土地被覆はどう変わるでしょうか。
含まれないもの： 人の意思決定の規則は測りにくいため、推測されることが多く、モデルは過去に合わせて調整されていますが、それが続く証拠はありません。
動かすのに必要： 約108 FLOPS 概算 ワークステーションで数時間。最初の年： 2003 Parker らによる、土地利用と土地被覆の変化をシミュレートするマルチエージェントシステムのレビュー。 出典
温室の気候モデル
日差し、換気口、暖房、作物自身の蒸散による温室の熱、湿度、二酸化炭素の収支を扱い、室内の環境を設計し制御します。
答える問い: 作物を最小のコストで暖かく乾いた状態に保つには、換気口と暖房をどう動かすべきでしょうか。
含まれないもの： 空気はよく混ざっているものとして扱いますが、本物の温室には勾配があり、作物のフィードバックも単純化されています。
動かすのに必要： 約107 FLOPS 概算 シミュレートする1日につき数秒なので、1シーズンは数分で動きます。最初の年： 1985 Garzoli による、単純な温室の気候モデル（Acta Horticulturae）。 出典
家畜の群れと飼料のモデル
飼料の摂取量、品種、管理に応じて、群れの成長、乳や肉の生産量を、1頭ずつまたは群れ全体で追います。
答える問い: この家畜の群れはどれくらいの生産を上げ、そのためにどれくらいの飼料が必要でしょうか。
含まれないもの： 動物の健康や状態の日々の個体差は、飼料に基づくモデルではとらえられません。
動かすのに必要： 約109 FLOPS 概算 家畜の群れごとに、農場のコンピューターで動きます最初の年： 1970 1970年までに、肉牛と乳牛の生産の初期のモデル
放牧と牧草地の管理
放牧圧、天候、土壌の肥沃度のもとでの草の成長と再生を扱い、牧草地が何頭の動物を養えるかを見積もるために使います。
答える問い: この牧草地は、すり減らさずに何頭の動物を養えるでしょうか。
含まれないもの： 早い時期の、あるいは並外れて厳しい干ばつに対する牧草地の反応は、モデル化された成長曲線からはずれます。
動かすのに必要： 約109 FLOPS 概算 放牧地1区画の1シーズンにつき、ノートパソコンで1回の実行最初の年： 1973 1973年までに、放牧システムのための牧草成長モデル
水産養殖と養魚
池、いけす、水槽で育てる魚介類を、飼料、酸素、温度、飼育密度とあわせて追います。
答える問い: 最良の収量を得るには、どれくらいの在庫を入れ、いつ出すべきでしょうか。
含まれないもの： 本物の池での病気の発生は、モデルが出す警告とめったに一致しません。
動かすのに必要： 約109 FLOPS 概算 農場の1サイクルにつき、ノートパソコンで1回の実行最初の年： 1985 1985年までに、養殖魚の生物エネルギー論的な成長モデル
家畜の病気の流行モデル
動物の輸送、車両、風によって農場間に広がる家畜の病気。殺処分、移動禁止、ワクチンのリング接種の計画に使います。
答える問い: この流行はどこまで広がり、どの対策がいちばん早く止められるでしょうか。
含まれないもの： 農家は、モデルが想定するほど素早く症状を報告するとは限りません。
動かすのに必要： 約1011 FLOPS 概算 全国的な感染拡大の実行に使う大学のクラスター最初の年： 2001 2001年の英国の口蹄疫流行のモデル
家畜の育種と遺伝
動物どうしの仮想の交配を世代を重ねて進め、子孫の乳量、成長速度、病気への抵抗性を予測します。
答える問い: 繁殖集団の全体のなかで、次はどの雄や雌を交配させるべきでしょうか。
含まれないもの： 記録された血統が正確だと仮定していますが、実際には記録の誤りや親の取り違えがあります。
動かすのに必要： 約1011 FLOPS 概算 全国の繁殖個体群を採点するクラスターでの実行最初の年： 1990 1990年までに、乳牛のBLUPに基づく遺伝的評価
精密な家畜モニタリング
個々の動物を、動き、採食、体温についてセンサーで追跡し、シミュレートした健康な基準と比べて、問題を早く見つけます。
答える問い: 何千頭もの動物のうち、今日、世話が必要なのはどの個体でしょうか。
含まれないもの： センサーの不具合は、モデルにとっては病気の動物とまったく同じに見えます。
動かすのに必要： 約1010 FLOPS 概算 ひとつの畜舎のセンサーのデータを処理する農場のサーバー最初の年： 2005 2005年までに、センサーで駆動する乳牛のモニタリングシステム
養殖池の生物エネルギー論
池の各魚は、飼料と酸素から得たエネルギーを成長に変え、水中の酸素と老廃物もあわせて追跡します。
答える問い: 池の水が悪くなる前に、何匹の魚に、どれくらい餌をやると、いちばん速く育つでしょうか。
含まれないもの： 病気、行動、天候のショックはほとんど除かれているため、このモデルは安定した状況にいちばん向いています。
動かすのに必要： 約108 FLOPS 概算 ノートパソコンで数分。最初の年： 1985 Cuenco らによる、養殖池の魚個体ごとの生物エネルギー論と成長のモデル。 出典
食品サプライチェーンのシミュレーション
穀物、農産物、加工食品が農場から倉庫、店へと動く流れを、輸送、保管中の損失、需要ショックとあわせて追跡します。
答える問い: 不足や衝撃が起きたとき、食料システムはどこから先に壊れるでしょうか。
含まれないもの： 実際のサプライチェーンには、モデルが決して見ない非公式な取引が隠れています。
動かすのに必要： 約1010 FLOPS 概算 全国または地域のネットワーク向けに実行するクラスター最初の年： 1985 1985年までに、食料配給に応用されたロジスティクス・シミュレーション
飢饉の早期警報モデル
降雨、収穫、価格、紛争を組み合わせて、どの地域が食料不足に向かっているかを、不足が襲う数か月前に知らせます。
答える問い: どの地域が食料不足に陥り、それはいつでしょうか。
含まれないもの： それを報告するのがいちばん難しい場所のデータに左右されます。
動かすのに必要： 約1010 FLOPS 概算 毎月、多数の地域を採点するクラスターでの実行最初の年： 1985 1985年までに、サヘルで政府が主導する飢饉の早期警報システム
発酵プロセスのモデリング
酵母、細菌、カビが、生地、搾汁、もろみの桶の中で増え、糖を消費してアルコール、酸、ガスを作るようすを追います。
答える問い: 望む結果を得るには、どれくらいの時間、どの温度で発酵させるべきでしょうか。
含まれないもの： 野生の発酵は、モデルが知らされていなかった微生物を持ち込みます。
動かすのに必要： 約109 FLOPS 概算 バッチ処理1回につき、ノートパソコンで1回の実行最初の年： 1975 1975年までに、醸造とパンの発酵の速度論モデル
ベーキングと食品の加熱加工
生地、缶、包装食品の中へ熱が伝わる様子を追い、加熱、焼き色、微生物がどれだけ安全に死滅するかを予測します。
答える問い: この製品の中心まで火が通っていて、食べても安全でしょうか。
含まれないもの： 現実のオーブンは、モデルの熱の場ほど均一ではありません。
動かすのに必要： 約109 FLOPS 概算 製品設計1つにつき、ノートパソコンで1回の実行最初の年： 1970 1970年までに、缶詰とベーキングの熱伝達モデル
コールドチェーンと腐敗のモデリング
トラック、倉庫、店の冷蔵庫の温度の変動を、微生物の増殖とあわせて追い、賞味期限がどれだけ失われるかを予測します。
答える問い: この積み荷のどれくらいが、棚に届く前に傷むでしょうか。
含まれないもの： ドアを10分間開けっぱなしにするような、短く厳しい温度の逸脱は、モデルが平均で示すよりも大きな損傷を与えます。
動かすのに必要： 約109 FLOPS 概算 ひとつの荷物の温度記録を追う、ノートパソコンでの実行最初の年： 1990 1990年までに、冷蔵食品の物流のための賞味期限予測モデル
食品安全とトレーサビリティのシミュレーション
食品システムのある一点で混入した汚染を、混合、加工、流通を通して先へたどり、誰がさらされるかを調べます。
答える問い: 汚染がここから始まったら、回収が追いつくまでにどこまで広がるでしょうか。
含まれないもの： 実際のサプライチェーンの書類の記録には、モデルが仮定するよりも抜けが多くあります。
動かすのに必要： 約109 FLOPS 概算 汚染シナリオ1つにつき、ノートパソコンで1回の実行最初の年： 1995 1995年までに、大規模な汚染事故のあとのトレーサビリティ・シミュレーション
予測食品微生物学
食品中の細菌の増殖と死滅を、温度、酸性度、水分活性に照らしてモデル化し、賞味期限と安全性を見積もります。
答える問い: この温度のこの食品で、病原体はどれくらい速く増えるでしょうか。
含まれないもの： 食べ物は、実験室のブロスよりも多様です。
動かすのに必要： 約105 FLOPS 概算 ノートパソコンでの成長曲線の当てはめ。最初の年： 1994 Baranyi と Roberts による、食品中の細菌の成長を予測する動的な手法。 出典
定量的微生物リスク評価
汚染、調理、保存、食事を確率分布として連鎖させ、ある食品による発病の確率を見積もります。
答える問い: この食品で人が病気になる確率はどれくらいで、どの工程がいちばん重要でしょうか。
含まれないもの： 用量反応は、まれな病原体についてはよくわかっていません。
動かすのに必要： 約108 FLOPS 概算 ノートパソコンで、農場から食卓までの連鎖のモンテカルロ法。最初の年： 1998 Cassin らによる、牛ひき肉のハンバーガーにおける大腸菌O157:H7の定量的リスク評価。 出典
消化と胃の流れのシミュレーション
胃壁の動きが食べ物の混合と分解を進めます。流れと酸を計算して、食べ物の構造と栄養素の放出を結びつけます。
答える問い: 食べ物は、胃の中でどれくらい速く分解され、吸収されるでしょうか。
含まれないもの： 胃壁の動きと食べ物の流動特性は簡略化されています。
動かすのに必要： 約1012 FLOPS 概算 クラスターで、動く壁のある流れのシミュレーション。最初の年： 2010 Kozu らによる、ヒトの胃の蠕動で生じる胃内容物の流れ現象の解析。 出典