都市、インフラ、運用

交通の流れ

自動車を、個々のドライバーとして、ルールに従って動く道路上のセルとして、あるいはネットワークを流れる流体として扱います。

答える問い: はっきりした原因がないのに渋滞が生じるのはなぜでしょうか。また、この交差点はそれを和らげるでしょうか。

含まれないもの： 運転者一人ひとりの癖は平均化されて消え、一人の不規則な運転者の影響は失われます。

動かすのに必要： 約10¹³ FLOPS 概算 市の交通当局のデスクトップまたは小規模なクラスター最初の年： 1955 ライトヒルとウィザムの、交通流の流体理論

インタラクティブ・モデルを動かす

交通と土地利用

人々が暮らし、働き、買い物をする場所と、そのあいだの移動のしかたを、何年から何十年にわたって追います。

答える問い: この鉄道路線を作ったら、まわりの都市はどう変わるでしょうか。

含まれないもの： 数十年にわたる社会の変化は、過去のパターンだけからは予測しにくいです。

動かすのに必要： 約10¹⁴ FLOPS 概算 大都市圏の計画機関のサーバークラスター最初の年： 1964 Ira Lowry による、大都市の土地利用と交通のモデル

都市の成長

都市が、セルごとに土地の上へ広がっていきます。

答える問い: この都市は、今後30年でどこへ広がるでしょうか。

含まれないもの： 細胞は決まったルールで成長します。現実の政治や土地所有は、符号化するのがもっと難しいです。

動かすのに必要： 約10¹³ FLOPS 概算 計画部門のデスクトップ、1シナリオあたり数分最初の年： 1979 Waldo Tobler による、地理的変化のセルラーモデル

避難と緊急対応

建物、スタジアム、地域から出ていく人々と、逆方向に動く救助隊。

答える問い: 建物から避難するのにどれくらいかかり、人はどこで詰まるでしょうか。

含まれないもの： パニックと群衆雪崩の行動は単純化されており、実際の避難はもっと複雑です。

動かすのに必要： 約10¹³ FLOPS 概算 デスクトップまたは小規模なクラスター、1シナリオあたり数分最初の年： 1995 Dirk Helbing による、歩行者の群衆の社会的な力のモデル

公共交通ネットワークのシミュレーション

バスや電車が時刻表どおりに走り、乗客が経路を選んで乗り換えます。

答える問い: この時刻表や経路を変えると、乗客はどれくらい時間を節約できるでしょうか。

含まれないもの： 乗客が最良の経路を知っていて従うと仮定していますが、多くの人は最もなじみのある道を選びます。

動かすのに必要： 約10¹³ FLOPS 概算 交通機関のサーバー、1シナリオあたり数分最初の年： 1970 1970年までに、バスと鉄道の時刻表の初期のコンピューター・モデル

配車サービスと配車手配のシミュレーション

到着する乗客の要請に車両を割り当てる車群。ドライバーは乗車の合間に位置を変えます。

答える問い: 車両は何台必要で、乗客はどれくらい待つことになるでしょうか。

含まれないもの： ドライバーが配車システムの提案に従うと仮定していますが、実際のドライバーは必ずしもそうしません。

動かすのに必要： 約10¹³ FLOPS 概算 企業のクラウドサーバー、都市1シナリオあたり数分最初の年： 2000 2000年までに、動的な車両の配車の初期のシミュレーション研究

航空機の搭乗シミュレーション

乗客が狭い通路を歩き、荷物をしまう様子を、さまざまな搭乗順でシミュレートし、機内を最も速く埋める方法を探します。

答える問い: どんな搭乗の順序なら、飛行機がいちばん早く埋まるでしょうか。

含まれないもの： 実際の乗客は指示を無視し、グループで移動するため、理想化された方式が成り立たなくなります。

動かすのに必要： 約10⁶ FLOPS 概算 数千回の搭乗の実行で、それぞれ数秒です。最初の年： 2002 Van Landeghem と Beuselinck による、飛行機の乗客の搭乗時間を短縮するための、シミュレーションにもとづく研究です。 出典

空港エアサイドのシミュレーション

航空機が誘導路を走り、滑走路で待ち、ゲートに駐機するようすを、管制のルールと天候とともにシミュレートし、空港がどれだけの交通を扱えるかを測ります。

答える問い: 遅延が急増する前に、この空港は1時間に何便をさばけるでしょうか。

含まれないもの： 管制官とパイロットの判断はルールに単純化されており、ほかの空港の遅れの広がり方はモデルに含まれていません。

動かすのに必要： 約10⁸ FLOPS 概算 ワークステーションで数分から数時間。最初の年： 1981 空港のエアサイド運用の柔軟なシミュレーションモデル、Transportation Research Part A. 出典

エレベーターの交通シミュレーション

乗客はランダムな階に到着し、朝、昼、夕方にピークがあります。かごは制御規則で停止・配車され、建物に必要なエレベーターの台数を見積もります。

答える問い: 朝のピーク時に待ち時間を短く保つには、エレベーターが何台で、どんな配車ルールが必要でしょうか。

含まれないもの： 乗客の到着は、測定または仮定したパターンに従うため、テナントの建物の使い方が変わると成り立たなくなります。

動かすのに必要： 約10⁶ FLOPS 概算 ノートパソコンで数秒から数分。最初の年： 1993 Siikonen による、エレベーター交通のシミュレーション。Simulation 誌。 出典

共有の自動運転車フリート

市内の要請に応える無人タクシーの車群。1回ごとの乗車、待ち、空車走行、駐車時間を追い、必要な車両数、費用、渋滞を測ります。

答える問い: 共有の自動運転車は、都市で何台の自家用車の代わりになり、交通にどんな影響を与えるでしょうか。

含まれないもの： 人々が相乗りを受け入れるのか、浮いた時間で何をするのかは、仮定されたもので、わかっていません。

動かすのに必要： 約10¹¹ FLOPS 概算 大都市圏でワークステーションまたはクラスターで数時間から数日。最初の年： 2014 Fagnant と Kockelman による、共有型自動運転車の移動と環境への影響のエージェントベースのシナリオ。 出典

空域のファストタイム・シミュレーション

シミュレートした空のセクターとウェイポイントを通る飛行を、実時間よりはるかに速く動かし、経路、セクターの設計、管制官のルールを試します。

答える問い: 新しい空域の配置や経路の構成は、どれくらいの追加の交通を安全に扱えるでしょうか。

含まれないもの： 管制官の作業負荷と判断は単純なルールで表されているため、混雑した空域の実際の限界は、もっと低いかもしれません。

動かすのに必要： 約10⁹ FLOPS 概算 ワークステーションで交通1日あたり数分から数時間。最初の年： 1964 Price による、航空交通管制の高速シミュレーションにおける待ち行列理論。Navigation 誌。 出典

サプライチェーン

物が、供給元から工場、倉庫、店へと動き、遅れや不足が連鎖のなかを逆に伝わってきます。

答える問い: 需要のわずかな変化が、工場での生産の大きな揺れを生むのはなぜでしょうか。

含まれないもの： 合理的な再注文を仮定しており、パニック買いや買いだめがモデルを崩します。

動かすのに必要： 約10¹³ FLOPS 概算 企業のサーバー、1シナリオあたり数分最初の年： 1958 ジェイ・フォレスターの、サプライチェーンの変動を扱う産業動力学モデル

製造ライン

生産ラインの機械、作業者、バッファ、故障。

答える問い: ボトルネックはどこにあり、新しい機械は買う価値があるでしょうか。

含まれないもの： まれな故障と人的要因は、平均から近似されます。

動かすのに必要： 約10¹² FLOPS 概算 工場の計画用デスクトップ、1回の実行に数分最初の年： 1961 Geoffrey Gordon の初期の離散事象シミュレーション言語

待ち行列とサービスシステム

客や乗客が到着し、待ち、サービスを受けます。空港、コールセンター、港など。

答える問い: 待ち時間を10分未満に保つには、窓口がいくつ必要でしょうか。

含まれないもの： 人が列を作り、予測どおりに振る舞うと仮定しています。実際の割り込みや離脱はばらつきがあります。

動かすのに必要： 約10¹² FLOPS 概算 デスクトップ、1シナリオあたり数分最初の年： 1961 1961年までに、汎用の離散事象シミュレーション・ツールが待ち行列のモデル化を始める

病院の患者の流れ

救急外来、病棟、手術室、退院を移動する患者たち。

答える問い: 患者はどこで待たされていて、何をすればベッドが空くでしょうか。

含まれないもの： 大量傷病者の発生のようなまれな急増は、通常のパターンの外にあります。

動かすのに必要： 約10¹² FLOPS 概算 病院のデスクトップ、1シナリオあたり数分最初の年： 1965 1965年までに、病院の外来の初期の離散事象シミュレーション

倉庫と配送センターのシミュレーション

ロボット、コンベヤー、ピッカー、保管ラックが、倉庫の中で商品を動かします。

答える問い: この倉庫は、需要がピークのときに、十分な速さで注文をピックして出荷できるでしょうか。

含まれないもの： 設備が仕様どおりに動くと仮定しています。実際の詰まりや故障は、完全には予測しにくいです。

動かすのに必要： 約10¹³ FLOPS 概算 物流会社のサーバー、1シナリオあたり数分最初の年： 1988 1988年までに、自動倉庫の初期の離散事象シミュレーション

ラストワンマイル配送の経路計画

配送車と配達員を市街の道に通して、多数の荷物を最短時間で届けます。

答える問い: 今日すべてを届けるのに、最善の順序と経路は何でしょうか。

含まれないもの： 実際の交通、天気、配達の遅れは、モデルが仮定するよりも、計画を変えます。

動かすのに必要： 約10¹³ FLOPS 概算 配送会社のサーバー、1日分のルートに数分最初の年： 1964 配送経路問題の、初期のコンピューターによる解法

プロジェクトのスケジュールリスクのシミュレーション

プロジェクトのネットワーク全体で作業の所要時間をランダムに引き、クリティカルパスの1つの見積もりではなく、完了日のばらつきを求めます。

答える問い: プロジェクトが期限までに終わる確率はどれくらいでしょうか。

含まれないもの： 作業の所要時間は互いに独立だと仮定されていますが、実際の遅れは相関しています。

動かすのに必要： 約10⁶ FLOPS 概算 スケジュールを数万回抽出しますが、計算は軽くすみます。最初の年： 1963 Van Slyke による、モンテカルロ法とPERT問題の研究です。 出典

倉庫ロボット群の連携

数百台の移動ロボットが棚をピッキング担当者のもとへ運びます。その経路、渋滞、充電をシミュレートして、導入前に台数を見積もります。

答える問い: 倉庫がピーク時の注文を出荷するには、ロボットが何台、どんな経路ルールが必要でしょうか。

含まれないもの： 実際のロボットは壊れ、人間のはたらきにはむらがあり、注文は予測しにくい波で届きます。

動かすのに必要： 約10¹⁰ FLOPS 概算 1レイアウト、注文1日分あたりワークステーションで数時間。最初の年： 2008 D'Andrea による、物流施設で数百台の自律走行車を調整する取り組みの記述。 出典

サプライチェーンのデジタルツイン

企業の供給元、工場、在庫、輸送のライブモデル。データと同期させておき、混乱が起きたら何が起こるかを試します。

答える問い: 港や供給元が明日止まったら、棚が空になるまでどれくらいで、いちばん安い対策は何でしょうか。

含まれないもの： 1次より先の供給元のデータはたいてい欠けているため、隠れた依存関係は隠れたままです。

動かすのに必要： 約10¹¹ FLOPS 概算 多数の途絶シナリオでクラウドクラスターで数時間から数日。最初の年： 2020 Ivanov と Dolgui による、途絶リスクとレジリエンスを管理するためのデジタルなサプライチェーンのツイン。 出典

コンテナターミナルのシミュレーション

港の船、クレーン、トラック、ヤードの積み上げを、ランダムな到着とサービス時間で扱い、コンテナがどこで待ち、クレーンが何基必要かを調べます。

答える問い: このターミナルはどこで詰まり、クレーンやゲートをもう1つ増やすと、どれだけ助けになるでしょうか。

含まれないもの： 船の到着時刻は、天気や川上の港で、モデル化しにくい形でずれ、ヤードの積み上げの判断も単純化されています。

動かすのに必要： 約10⁸ FLOPS 概算 ワークステーションで数分から数時間。最初の年： 1975 Borovits と Ein-Dor による、港のコンテナターミナルのコンピューター・シミュレーション。 出典

建設工程のシミュレーション

トラック、ショベル、クレーンなどの作業員と機械が、現場で繰り返しのサイクルをこなします。所要時間はランダムで、ボトルネックと費用を探ります。

答える問い: この土工事をいちばん速く終えるには、掘削機1台あたり何台のトラックが必要でしょうか。

含まれないもの： 天候、故障、人によるばらつきは組み込むのが難しいので、スケジュールはたいてい楽観的すぎます。

動かすのに必要： 約10⁶ FLOPS 概算 ノートパソコンで数秒から数分。最初の年： 1977 Halpin の、現場の作業工程をモデル化する CYCLONE 法。 出典

電力網

発電、送電線、需要を1秒ごとに均衡させ、故障がどう連鎖するかも含みます。

答える問い: 送電網は、より多くの風力と太陽光を受け入れられるでしょうか。また、ひとつの故障が地域全体の停電を招くでしょうか。

含まれないもの： 多くの連結した電力網にまたがる、まれな連鎖的故障は、完全には予測しにくいものです。

動かすのに必要： 約10¹⁴ FLOPS 概算 送電事業者の制御センターのサーバー、1シナリオあたり数秒最初の年： 1956 1956年までに、初期のデジタルの潮流計算プログラムが物理的な網解析器に取って代わる

上下水道網

パイプ、ポンプ、下水道、排水路を流れる水です。

答える問い: 排水路は、より激しい嵐に耐えられるでしょうか。

含まれないもの： 老朽化した配管や漏水は正確に把握しにくいため、結果は想定した状態に左右されます。

動かすのに必要： 約10¹² FLOPS 概算 水道事業者のデスクトップ、1シナリオあたり数分最初の年： 1968 1968年までに、配水ネットワークの初期のデジタル水理モデル

建物のエネルギーと昼光

一年間の天気を通して、建物の中を動く熱、空気、光。

答える問い: この設計はどれくらいエネルギーを使い、中は快適でしょうか。

含まれないもの： 実際の居住者の行動が、仮定されたスケジュールと一致することはまれです。

動かすのに必要： 約10¹³ FLOPS 概算 設計事務所のデスクトップ、1棟あたり数分から数時間最初の年： 1977 1973年の石油危機のあとの、アメリカの初期の建物のエネルギー・プログラム

インフラの相互依存

電力、水、通信、輸送がつながっていて、一つの故障がほかに広がります。

答える問い: 停電したとき、次に何が故障するでしょうか。

含まれないもの： 連結したすべての系について詳細なデータが必要ですが、それがすべて同時にそろうことはまれです。

動かすのに必要： 約10¹⁴ FLOPS 概算 研究用クラスター、1シナリオあたり数分最初の年： 2001 Rinaldi、Peerenboom、Kelly による、相互依存するインフラの枠組み

ごみの収集と処理のシミュレーション

ごみと資源物がトラックで経路ごとに集められ、そのあと処理施設で選別・処理されます。

答える問い: すべてのごみを時間どおりに集められるでしょうか。また、次の処理場はどこに置くべきでしょうか。

含まれないもの： 世帯がごみを正しく分別すると仮定していますが、必ずしもそうではありません。

動かすのに必要： 約10¹² FLOPS 概算 市議会のデスクトップ、1シナリオあたり数分最初の年： 1974 1974年までに、自治体のごみ収集ルートの初期のコンピューター・モデル

地域冷暖房ネットワーク

中央のプラントから、温水や冷水を配管で送り、多数の建物を一度に暖房・冷房します。

答える問い: ネットワークは、1年でいちばん寒い日に、十分な熱を届けられるでしょうか。

含まれないもの： パイプとポンプが設計どおりに動くと仮定しています。実際のネットワークは、数十年のうちに漏れたり、土砂がたまったりします。

動かすのに必要： 約10¹² FLOPS 概算 電力会社の技術者のデスクトップ、1シナリオあたり数分最初の年： 1979 1979年までに、地域暖房ネットワークの初期の水理・熱モデル

電力系統の電磁過渡現象

落雷、開閉、故障による、送電網のなかの速い電圧と電流のサージを、機器を守るために、マイクロ秒ごとに追います。

答える問い: 故障や落雷の最初の数ミリ秒で、送電網に何が起きるでしょうか。

含まれないもの： 線路と機器は周波数に依存する近似でモデル化されており、部品のデータはしばしば不完全です。

動かすのに必要： 約10¹⁰ FLOPS 概算 マイクロ秒未満の刻みでの、時間ステップ式のネットワーク解法です。最初の年： 1969 Dommel による、単相および多相のネットワークにおける電磁過渡現象のデジタルコンピューターでの解法。 出典

エネルギーシステムの容量計画モデル

発電所、燃料、送電網の選択を、需要と排出量の制限のもとで費用を最小にして、何十年分にわたって求めます。

答える問い: 炭素排出の上限のもとで、需要をいちばん安く満たすエネルギー技術の組み合わせは何でしょうか。

含まれないもの： 完全な先見と固定された需要の仮定は、整ってはいても非現実的な移行を与えます。

動かすのに必要： 約10¹⁰ FLOPS 概算 数十年と複数の地域にわたる大規模な線形計画法。最初の年： 1981 Fishbone と Abilock による、エネルギーシステム分析の線形計画モデル。 出典

エージェントベースの電力市場

発電事業者が適応的なエージェントとしてオークションに入札し、価格設定のルール、戦略、市場支配力が価格をどう決めるかを調べます。

答える問い: 発電事業者は、電力オークションで価格をつり上げることを学ぶでしょうか。

含まれないもの： エージェントの学習ルールは仮定したものであり、人間のトレーダーはそれほど単純ではありません。

動かすのに必要： 約10⁹ FLOPS 概算 多数のエージェント学習の計算。最初の年： 2001 Bower と Bunn による、イングランドとウェールズの電力市場における均一価格オークションと差別価格オークションの実験的な分析。 出典

連鎖的な停電のモデル

送電線が一本、また一本と落ち、負荷が残りに移ります。小さな故障がどう地域規模の停電に育つかを調べるためにシミュレートします。

答える問い: 電力網の小さな故障は、どのようにして大停電に広がるでしょうか。

含まれないもの： オペレーターの対応と保護設定は単純化されており、まれな連鎖には膨大なサンプリングが必要です。

動かすのに必要： 約10⁹ FLOPS 概算 格子モデル上での多数のモンテカルロ連鎖。最初の年： 2002 Carreras らによる、連鎖的な故障による停電の送電モデルにおける臨界点と遷移。 出典

スマートグリッドの連成シミュレーション

送電網、住宅、蓄電池、太陽光パネルとその制御装置をそれぞれ別にシミュレートして一緒に動かし、さまざまな戦略のもとでシステム全体がどう振る舞うかを試します。

答える問い: 数千の家庭用電池の制御方式は、地域の電力網にどう影響するでしょうか。

含まれないもの： 家庭の行動は合成した負荷プロファイルで表されており、電力網に負担をかけるまれな使い方は拾えません。

動かすのに必要： 約10¹⁰ FLOPS 概算 1地区の1日分でワークステーションで数時間。最初の年： 2011 Schütte らによる mosaik。スマートグリッドの能動的な構成要素をモジュール式にシミュレートする枠組み。 出典

ガスパイプライン網の過渡現象

需要の変化に応じて、パイプ、圧縮機、バルブのネットワークを伝わる圧力と流れの波。事業者が供給を計画し、漏れや不足なく、ガスを流し続けられるようにします。

答える問い: 大口の利用者が止めたり、ガスの組成が変わったりしたとき、ガス網の圧力はどう反応するでしょうか。

含まれないもの： 需要は不確かで、パイプは1次元として扱われるため、継ぎ目での局所的な影響は単純化されています。

動かすのに必要： 約10⁹ FLOPS 概算 ワークステーションで数分から数時間。最初の年： 1970 Distefano による、ガスパイプライン網の動態をシミュレートする Pipetran プログラム。 出典

モバイルネットワークの計画

携帯電話の基地局からの電波が都市や地域に広がる様子を、各基地局が運ぶ通話とデータ接続の数と照らし合わせて地図にします。

答える問い: 次のアンテナ塔はどこに建てるべきで、そこで通話者は電波を受け取れるでしょうか。

含まれないもの： 実際の建物と天気は、地形モデルが仮定するよりも予測しにくく電波を散乱させます。

動かすのに必要： 約10¹³ FLOPS 概算 通信事業者の計画用サーバー、1地域あたり数分最初の年： 1978 1978年までに、初期の携帯電話網のカバレッジと容量の計画ツール

インターネットのバックボーンとケーブルの耐障害性

インターネットの基幹回線と海底ケーブルを通るデータの経路を、切断や障害に対して試します。

答える問い: このケーブルや交換拠点が止まったら、誰の接続が切れるでしょうか。

含まれないもの： 障害時の実際の経路の判断は、モデルには見えない商取引に左右されます。

動かすのに必要： 約10¹² FLOPS 概算 研究機関または通信事業者のサーバー、1シナリオあたり数分最初の年： 1995 1995年までに、インターネットのルーティング障害と回復力の初期の研究

データセンター設備のシミュレーション

データセンター内のサーバー、冷却システム、電力供給を、それらが動かす計算ジョブと釣り合わせます。

答える問い: サーバーを増やしても、このデータセンターは冷却と電力を保てるでしょうか。

含まれないもの： 実際の設備は、平均的なモデルがならしてしまう形で老朽化し、故障します。

動かすのに必要： 約10¹³ FLOPS 概算 事業者自身のサーバー、1シナリオあたり数分最初の年： 1999 1999年までに、データセンターの冷却の初期の数値流体力学モデル

衛星ブロードバンド・コンステレーションのシミュレーション

数百から数千の衛星が軌道上を動き、互いに、そして地上のユーザーへと信号を受け渡します。

答える問い: この衛星群は、地上のすべての人に、速くて安定した接続を提供できるでしょうか。

含まれないもの： 実際の天気、地形、干渉は、幾何学だけで予測されるカバー範囲を削ります。

動かすのに必要： 約10¹³ FLOPS 概算 事業者の計画用クラスター、1シナリオあたり数時間最初の年： 1997 1997年までに、衛星電話網のための初期の軌道とカバレッジのシミュレーション

通信トラフィックエンジニアリング

ランダムに到着する通話とデータ接続を、それを運べる回線と設備に合わせて見積もります。

答える問い: 発信者が話し中の信号を聞くようになる前に、回線やチャネルはいくつ必要でしょうか。

含まれないもの： 到着がランダムで独立だと仮定しますが、大きな共通のイベントのあいだは成り立ちません。

動かすのに必要： 約10¹¹ FLOPS 概算 通信事業者のデスクトップ、1シナリオあたり数秒最初の年： 1917 Agner Krarup Erlang の電話交換局のトラヒック理論

スマートシティのセンサーネットワークのシミュレーション

都市じゅうの数千の小さなセンサーが、交通、空気の質、水、照明のデータを無線ネットワークで報告します。

答える問い: 十分な数のセンサーの測定値が届くでしょうか。また、電池はどれくらいもつでしょうか。

含まれないもの： 実際のセンサーは、モデルが仮定するよりも頻繁に、ドリフトし、予告なく故障し、ネットワークから外れます。

動かすのに必要： 約10¹² FLOPS 概算 市の情報システム部門のサーバー、1シナリオあたり数分最初の年： 2010 2010年までに、都市規模の無線センサーネットワークの初期のシミュレーション研究

インターネットワームの伝播モデル

ネットワーク上のシミュレートされたホストが、測定されたスキャン戦略と帯域幅の制限を使って、自己拡散するコードに感染します。

答える問い: ワームは、脆弱なインターネットにどれくらい速く感染できるでしょうか。

含まれないもの： 防御とパッチ適用の速さは仮定したものです。

動かすのに必要： 約10¹⁰ FLOPS 概算 安価な感染症風の実行最初の年： 2002 How to 0wn the Internet in your spare time (2002) 出典

車載ネットワークのシミュレーション

道路交通のシミュレーターが車を動かすあいだ、車どうしがメッセージをやりとりし、無線での衝突警告と隊列走行を試します。

答える問い: 走行中に、車は確実に警告を交換できるでしょうか。

含まれないもの： ほかの車両や建物による電波の遮蔽は、近似されているにすぎません。

動かすのに必要： 約10¹⁰ FLOPS 概算 交通とパケットのシミュレーターを連成。最初の年： 2011 Sommer、German、Dressler による、双方向に結合したネットワークと道路交通のシミュレーションです。 出典