世界初・世界最速！
地震発生直後に
津波被害を
リアルタイム推計するシステム～世界屈指のスパコンで社会課題の解決に挑む～

被災して痛感した
「１ビットのデータの重み」

NECのスパコンで津波浸水被害を20分以内にリアルタイムで予測する全自動システムだとうかがいました。どのようなきっかけから開発が始まったのですか。

青木 孝文氏（以下、青木）　ご承知のこととは思いますが、東北大学は東日本大震災の被災地にある大学です。あの時に私たちが痛感したのは、「情報やデータの価値とは何か？」ということでした。ICTの研究にはゼタバイト級のビッグデータが不可欠です。震災が起きた時も「震災ビッグデータ」という言葉が生まれました。しかし、震災時に誰もが知りたかったのは「自分の家族は生きているのか？」という、たった１ビットの情報でした。つまり、１ビットの情報に計り知れない価値があったわけです。ICTが社会や人間に提供できる価値は、NECの遠藤会長がよく仰っている、「リアルタイム」、「リモート」、「ダイナミック」の３点に尽きると考えています。その中でも今回のシステムは「地震が発生したタイミングで津波浸水の被害をリアルタイムに予測し、政府や地方自治体の防災組織にリモートから届ける」という価値提供をICTにより実現したものです。さまざまな分野の研究者が集まる東北大学としてできる大きな社会貢献だと考えています。東北大学は震災後、災害科学国際研究所（以下、IRIDeS）の設立をはじめとして、多様な分野の研究者がこれまで以上に連携を強化しており、巨大災害の被害軽減に向けた社会への具体的な問題解決について全学を挙げて取り組んでいます。

小林 広明氏（以下、小林）　そうした大学として掲げる「巨大災害への被害軽減や問題解決などの具体的な社会への貢献」について、我々に何ができるかを考えてみました。東北大学のIRIDeSや理学研究科には津波工学や地震学に詳しい先生がいる。サイバーサイエンスセンターには計算機分野の研究者に加えて、ビッグデータを高速で計算処理ができるNECのスパコンがある。そこで、東北大学で行われてきた基礎研究をベースに予測システムを作ろうと、2013年に勉強会を立ち上げました。

大阪大学との連携は珍しいように感じます。なぜ連携プロジェクトになったのですか？連携の意義についてお聞かせください。

青木　東北大学は建学以来「研究第一」「実学尊重」「門戸開放」を理念とし、産業界で研究活動・成果が使われること、活かされることを非常に重視してきました。私自身も他国内外の大学や企業との共同研究や共同プロジェクトを通じて、新たな価値創造を行うことが重要だと考えています。たしかに、東北大学と大阪大学はライバル関係にあるとも言えますが（笑）。学問が社会に波及して、実装され、価値をもたらして、また学問にフィードバックする。このリアルタイム津波浸水・被害推計システムがそれをまさに体現したものと考えます。

小林　地震はいつ起きるか予測ができません。また東北大学が被災してしまう可能性もあります。「被災したからシステムが動きません」ということがあってはなりません。そこで24時間365日確実に津波浸水被害の予測を行うためにはシステムの二重化が必要です。特に巨大地震が発生した場合を考えると、東と西の国内２カ所に拠点を用意しておく必要があります。そこで東北大学から約600km離れている大阪大学に連携を持ち掛け、フォローし合える体制を構築することができました。

伊達 進氏（以下、伊達）　これまでも、大阪大学のサイバーメディアセンターと東北大学のサイバーサイエンスセンターとは、Japan Gigabit Network（JGN）などの学術ネットワークを使って連携をしている縁もあり、東北大学の小林先生から本プロジェクトをご相談いただきました。「絶対にシステムを止めない」という重責を担う相談でしたが、社会貢献、地域貢献することは国立大学の使命と考え、お受けいたしました。

津波浸水被害を20分以内で
リアルタイムに全自動で予測

地震が起こると気象庁が津波警報／津波注意報を出していますが、このリアルタイム津波浸水・被害推計システムの予測とは何が異なるのでしょうか。

小林　気象庁はあらかじめ、地震規模や震源地を想定した津波を複数シミュレーションしていて、いざ地震が起きるとその中から状況に近いものを発表するという方式です。一方、我々のシステムは、世界で初めて地震発生後にリアルタイムで高速計算し、都度予測を立てます。地震波や地殻変動の実データに基づいて予測することで高い精度を実現しました。

実際には、どのように計算しているのですか。

小林　まず、理学研究科の先生が開発したモデルを使って、国土地理院の観測データから断層の動きを突き止めます。それを基にサイバーサイエンスセンターとサイバーメディアセンターのスパコンでシミュレーションするのですが、その際に使われるのが、IRIDeSで開発されたTUNAMI（Tohoku University's Numerical Analysis Model for Investigating Tsunami）というソフトウエアです。その後、計算結果をグラフや３次元画像などの可視化データに加工し、政府や地方自治体がインターネット経由で見られるようにしています。この処理の流れは完全に自動化されていまして、震源推定に約７分、シミュレーションに約５分、可視化に約４分。全体で20分を切っています。表示の単位となるメッシュ（区画）のサイズは現状では30mですが、10mにすることもできます（下図）。

開発と運用にあたって苦労した点をお聞かせください。

小林　大きく２点あります。１つ目は地震発生から予測結果の提示までの一連の処理を自動化すること。２つ目は、津波浸水被害予測を立てる事を最優先とする運用に理解を得ることです。特に２番目は苦労しました。東北大学、大阪大学のスパコンは全国の研究者が共同で利用しています。しかし、地震が起きたら実行中の高速計算処理を一時停止し、津波浸水被害予測の計算を優先することになります。そのことに理解をいただく必要がありました。

伊達　有事対応とはいえ、一時的に研究者の計算処理を止めることになります。アカデミックな立場がどこまで社会貢献の務めを果たすべきなのか？ 正解はありません。ですが、関西も過去には阪神大震災が起き、南海トラフ地震に対する懸念もあります。大阪大学でしか応えられない使命と考え、学内外の理解と協力を取り付けることに尽力しました。
　今も年に数回、有事を想定した訓練を東北大学と共同で行っているのですが、その時も計算処理が一時的に止まってしまうこともご理解いただけるとうれしいです（笑）。

世界屈指のベクトル型
スパコンは高効率で省電力

スパコンにはベクトル型とスカラ型の２種類があります。このリアルタイム津波浸水・被害推計システムについて、ベクトル型だからこそ実現できたポイントをお聞かせください。

小林　津波浸水被害予測や気象予測などの「場の計算」では、数多くの計算格子について、同時に何回も並列計算をする必要があります。メモリと演算器の間で大量のデータを高速に流せるベクトル型は、そのような計算が得意。典型的なスカラ型スパコンが１万6000個のコアでやっている計算を、東北大学にあるNEC製のベクトル型スパコンは、わずか256個のコアで同じ精度の結果を同じ計算時間で得ることができます。

つまり、効率が高いわけですね。

小林　はい、実行効率（ピーク性能に対してどれくらいの割合で性能を引き出せているかの指標）が極めて高いです。新聞などで報じられるスパコンのスピードランキングの上位機の実行効率は１%から４%程度ですが、東北大学、大阪大学が使っているNEC製スパコンは11%。例え話で言えば、スカラ型はただ真っ直ぐ走る100m走は速いけど、ベクトル型はさまざまな場面が現れる障害物競争になっても速いという特長があります。

ベクトル型スパコンは世界でNECだけが開発していると聞きました。そのベクトル型スパコンについて評価をお聞かせください。

青木　NECのベクトル型スパコンは断トツの“尖った”ものを持っていると思います。
　今後は、実世界をまるごとデジタル化して、その情報をリアルタイムに再現していく必要があります。そのためデジタル化した世界が実世界より遅くては価値がでません。しかし、ベクトル型スパコンはそれが実現できる候補だと言えるでしょう。また、尖っているからこそ応用のしがいがあるとも思います。世界をデジタル空間で再現できるほどの技術を保有するテクノロジーカンパニー各社の責任はとても重く、社会の在り方すら変える存在になるのではと考えています。

小林　東北大学はNECとスパコンの共同研究を行っています。その歴史はとても古く、1956年に遡ります。同年にNECとの大型電子計算機の開発をスタートさせ、1958年11月に初めて「SENAC-1（NEAC-1102）」が稼働しました。そして1969年の大型計算機センター開設以来、NECの大型計算機とスパコンを使い続けています。また、2014年にはサイバーサイエンスセンターにNECとの研究部門を立ち上げました。その研究成果でもある最新機のNEC SX-Aurora TSUBASAは非常に使いやすく、ユーザーコミュニティーにも広がっています。スパコンの研究・開発では処理速度に加えて省電力性能にも注目しています。サイバーサイエンスセンターが使える電力容量は決まっていますので、電力１Wあたりで、いかに多くの計算ができるかも研究のポイントになっています。実行効率が高いNECのスパコンは、この点でも高く評価できると思います。

伊達　大阪大学も2016年度からNECとの研究部門を設置し、ヘテロジニアスなシステムでの高速計算の共同研究を行っています。SX-ACEについては実行効率が高くて良いマシン、というのが大阪大学サイバーメディアセンターの評価です。最新モデルのSX-Aurora TSUBASAを試しに使ってみたところ、さらに使いやすくなりましたし、Linuxベースなので多様なソフトウエアを利用できます。

内閣府が運用する
システムとして稼働中

このシステムは、2018年４月から、内閣府総合防災情報システムの「津波浸水・被害推計システム」としても稼働を始めました。このことはSDGsという社会課題への解のひとつになったと言えると思います。

青木　そうですね。東北大学は、SDGsが制定される前からこの社会課題に積極的に取り組んできました。SDGs（国連サミット）やパリ協定（COP21）が制定された2015年は、防災面でも重要な動きがあった年です。仙台で開催された防災世界会議で「仙台防災枠組2015-2030」が採択されたのです。SDGs、パリ協定とあわせて「３大国際アジェンダ」と呼ばれています。東北大学は、その「仙台防災枠組」にも深く関与しています。世界防災フォーラム2019（2017年に続いて仙台で開催）でも関連する本学の活動を発表しました。BOSAIは国際用語になりつつあります。

小林　我々は、津波被害の深刻さを自ら経験しています。自分たちの研究成果を防災や減災に少しでも役立ててもらいたい、という強い願いを持って取り組みを進めています。サイバーサイエンスセンターの設立目的は、もちろんあくまでも研究基盤としてのシステムを提供することですが、ほんの少しのスパコンのリソースを割けば済むのですから、社会のために役立つことは積極的に進めたいと考えています。

伊達　これまでも私は他の大学と共同研究をしてきましたが、この津波浸水・被害推計システムは、関わる人たちの“本気度”が別格でした。論文を書いて終わりではなく、最初から社会実装するんだという意気込み、求められる責任感もまったく違いました。このような先例のないプロジェクトに関わることができ、とても誇らしく思います。

リアルタイム津波浸水・被害推計システムは、今後、どのように強化されていく予定ですか。

小林　内閣府は，当初の対象だった南海トラフだけでなく相模トラフも来年度から推計対象にします。それに伴い、扱うデータも増え、計算量も大きくなっていくので、プログラミングやシステムの利用技術をさらに突き進めていかなければなりません。「津波を生じる大規模地震発生後、予測結果をできるだけ早く見たい」という声にもこれからも応えていく必要があるでしょう。

これからもスパコンを活用し、さまざまな課題に挑戦されるかと思います。同じ熱い思いを持っている研究者や学生に向けてメッセージをお願いします。

小林　SDGsには、防災システム以外にもさまざまな社会インフラが関わってきます。東北大学のサイバーサイエンスセンターでは、「発電システムの安心・安全化」や「複合材の設計」といったテーマでもスパコンを活用した取り組みを進めています。量子コンピューターの活用も視野にいれれば、津波発生時の最適な避難経路を高速に計算することも可能になってくるでしょう。社会課題解決のために、私たちができることはまだまだたくさんあります。

伊達　社会課題解決への挑戦で、一般の方々の暮らしへの貢献度を高めていきたいですね。防災対策に限らず、ニーズやシーズをお持ちの方、スパコンを使ってこんなことをしたいというアイディアをお持ちの方を、大阪大学サイバーメディアセンターは広く受け入れています。この記事を通じて新たな気づきを提供できればと思います。

青木　さきほど、東北大学「災害科学国際研究所」について話をしましたが、「災害科学」というのは、世界的に見ても未開拓の分野です。災害は実に多くの側面を持っていて、実践的防災学としての研究を射程にいれるならば、例えば歴史学や心理学といった分野の知見も動員する必要があるでしょう。「災害科学」を確立し、その最先端といえば日本だね、というところにまで研究を高めていきたい。ぜひ私たちと一緒に未来を切り拓いていきましょう。

情報は2020年3月時点のものです