(1) 断層-構造系システムの大規模数値解析手法の開発

断層-構造系システムとは，対象とする断層と構造物から成る地殻と構造物のモデルである．断層から生成される強震動と，その強震動に対する構造物の地震応答を計算するために使われる．開発されてきた独自のマルチスケール解析手法を改良し，大規模化・高速化を実現し，断層-構造系システムの解析を行っている．なお，大規模化・高速化の結果，従来の手法を凌駕する時間・空間分解能で，断層から伝播する地震動に対する構造物の地震応答を計算することに成功した．
断層-構造系システムの根幹である地震波動の計算では，地盤・地殻構造の幾何形状を詳細にモデル化することが重要であり，このためには有限要素法を用いる必要がある．しかし，有限要素法は差分法に比べ，計算コストが膨大となる．数理的な観点から分析し，計算コストを低減させる効率的なアルゴリズムを考案し，マルチスケール解析手法の計算コードに実装した．実装に際して並列化性能を上げることにも成功した．断層-構造系システムの大規模数値解析手法の開発では，このように基礎的な数理研究と計算科学研究にも重点が置かれている．
首都直下地震を対象として，山手線内の30万を超える構造物の地震動応答解析を行えるだけの解析技術が整いつつある．10Hzまでの精度保証可能な1000億自由度級の有限要素法モデルを用いて，断層から地表までの地震動解析，地表近傍の堆積層による地盤震動解析を行う．これらの解析技術は上記の基礎的な数理研究と計算科学研究に立脚する成果であり，ハイパフォーマンスコンピューティング分野における世界的な賞のひとつであるゴードンベル賞の最終選考論文5編に2年連続で選ばれている．また，ポスト「京」重点課題アプリケーションのひとつとして選定され，ポスト「京」計算機上へ向けたチューニングが実施されている．
断層-構造系システムの具体的な対象として，大規模地下トンネルや原子力発電所といった実際の大規模構造物も挙げられる．実構造物に忠実な大自由度の解析モデルを構築し，改良されたマルチスケール解析手法を適用し，地震応答を計算している．構造物の特性を理解するためには，民間企業等の協力が必須であり，共同研究を介することで実構造物のより現実的な地震応答解析手法の構築をすすめている．地殻構造の幾何形状が地殻変動の弾性・粘弾性挙動に大きな影響を及ぼすことが指摘されていることから，構築中の技術のこれらの解析への展開も進められている．日本列島全てを含む広領域において高詳細な地殻モデルから構築した100億自由度以上の有限要素モデルを用いた弾性・粘弾性地殻変動解析等が行われている．

(2) 統合地震シミュレーションの開発

統合地震シミュレーションとは，断層から都市各地点までの地震波伝播過程，各種構造物の地震応答過程，そして地震被害に対する人・組織の行動をシームレスに計算するものである．地理情報システムに蓄積された都市データを利用して構築された大規模都市モデルに対し，地震学・地震工学・社会科学の分野で開発されたさまざまな数値解析手法を利用して，大規模計算を行う．この統合地震シミュレーションは，「京」計算機の戦略分野3「防災・減災に資する地球変動予測」の課題の一つとして，また，ポスト「京」重点課題アプリケーション開発の重点課題（3）の「地震・津波による複合災害の統合的予測システムの構築」の一つとして取り上げられている．
本年度は，verification（コードそのもの検証）とvalidation（モデルの妥当性やパラメータの合理性）を行いつつ，マニュアルの整備を進めusabilityの向上を図った．一方で，シミュレーションのcapability向上のため，解析規模の大規模化も行っている．その結果，山手線内の30万を超える構造物の地震動応答解析や山手線内の都市空間内における200万人規模の避難シミュレーションが行えるだけの解析技術が整いつつある．また，東京大学地震研究所と京都大学防災研究所が連携して行う拠点間連携共同研究の参加者募集型課題のひとつとして選定されており，多くの大学との連携を介して，統合地震シミュレーションの各地域への実装及び課題抽出がすすめられている．

(3) メタモデリング理論

構造物の地震応答を解析する際，モデルの選択は重要課題である．精緻なソリッド要素有限要素法のモデル，柱・梁・シェルの構造要素を使ったモデル，フレームや質点-バネを使った簡略化されたモデル，等さまざまなモデルがある．各々のモデルは独自の物理モデルに基づき，その結果，毒に数理問題に帰着している．そのため，モデルの優劣は実験結果の再現精度によっている．重要な挙動が選択されているものの，実験の計測には限界があり，モデルの優劣は計測されていない挙動の予測精度も左右する．
2013年度からこのモデルの質の問題を解決するため，メタモデリング理論の構築に取り組んでいる．メタモデリング理論は，連続体力学にも基づく物理問題を設定し，それをラグランジュアンとして定式化する．ラグランジュアンからは波動方程式が導出されるが，数理近似を加えると，他の形式の微分方程式が導かれる．このように数理的近似に導出された方程式をモデリングと称する．連続体力学の物理問題と同一の物理問題を解くという意味で，数理的近似から導出されたモデリングは連続体力学のモデリング（波動方程式）と整合し，かつ，波動方程式の近似解となることが保証される．
メタモデリング理論を適用することで，都市の地震応答シミュレーションを行う際，一つの構造物に多数の整合したモデルを自動構築することが可能となりつつある．検証が容易な簡略化されたモデルから，徐々に複雑なモデルを使うことで，地震応答シミュレーションの信頼性が向上する．10万から100万のオーダの構造物があるため，各モデルは自動構築が必須である．自動構築されたモデルの質を検証するためには，簡略化されたものから複雑なものまで整合したモデル群を使うことが有効である．

(4) マルチエージェントシステム

マルチエージェントシステムとは，都市等を模擬した計算機の仮想空間であるエンバイロンメントの中を自律的に行動するエージェントを使う数値解析手法である．エージェントは人や組織を模擬するもので，独自のデータを持ち，その意味で「個性」を持つ．実際の都市空間を模擬するエンバイロンメントを使うことで，マルチエージェントシステムは．人・組織の行動に対してリアリティのあるシミュレーションを行う．
津波からの群集避難に対して，マルチエージェントシステムの開発を進めている．エージェントは，身体能力・地図等のデータと，「（周囲を）見る」，「（避難路を）考える」，「（避難）行動する」という機能を持つ．居住者や旅行者，自動車の利用者等のエージェントが開発されており，最適経路の選択や追い越しの機能を持つことで，群集避難の際の渋滞の発生・解消の状況のシミュレーションを行うことができる．
エンバイロンメントは実際の都市の道路ネットワークを模擬したものである．過去の経路や最適経路の探索にはネットワークはグラフ形式のデータとして表され，周囲を見て行動する際はグリッド形式のデータとして表さられる．この結果、避難場所の位置の情報を処理することが容易となり，地震動による建物被災の結果，生じうる道路閉塞も模擬することができる．
現在，マルチエージェントシステムの並列化を進めている．プログラミング言語にC++を使っているため，並列計算機での標準的なライブラリの利用には限界があるものの，MPIとOpenMPを組み合わせたハイブリッドの並列化に成功し，200万のエージェントを使ったシミュレーションが可能となっている．