VerificationとValidation

東京大学

越塚誠一

日本原子力学会2008年春の大会2008年3月26日～28日, 大阪

計算科学技術部会企画セッション「計算結果の信頼性」

計算結果の信頼性の重要性

• 原子力工学における計算の使われ方– 安全解析：許認可の要求事項

従来の保守的解析から最適評価へ「保守性の担保」から「信頼性」へ

– 研究の手段：安全（過酷事故解析など）、トラブルの原因追求と対策

– プラントの設計、運転、保守設工認、定検ロバスト設計＝コストリスク最小化

– 汎用コードの利用：中身のブラックボックス化

沢田龍作（トヨタ自動車），日本計算工学会イブニングセミナー，2007.12.19

自動車エンジン開発におけるCAE

• 研究CAE：必要とされる精度0– 新しいアイデアの検討

• 設計CAE：必要とされる精度2– 最適な設計パラメータの導出 (ロバスト設計)

• 評価CAE：必要とされる精度3– 設計に対する要求事項の判定 (70/200)

• 対策CAE：必要とされる精度1– トラブルの原因究明と対策案の検討

Verification and Validation

• 計算結果の信頼性を具体的に確立するための検証作業– 検証はVerificationとValidationに分けて考える

• CAE (Computer-Aided Engineering)(=数値計算の産業利用)において計算結果の信頼

性は欠かすことができない要件

• 米国では技術基準として確立されつつある

Verification & Validation Standards

• ANS, 1987(R1998), Guidelines for the Verification and Validation of Scientific and Engineering Computer Programs for the Nuclear Industry, ANS-10.4-1987

• U.S.DoD, 1996(2003), "DoD Modeling and Simulation (M&S) Verification, Validation, and Accreditation (VV&A)," DoD Instruction 5000.61, Defense of Modeling and Simulation Office

• AIAA, 1998, Guide for the Verification and Validation of Computational Fluid Dynamics Simulations, AIAA G-077-1998, American Institute of Aeronautics and Astronautics

• ASME, 2006, Guide for Verification and Validation in Computational Solid Mechanics, ASME V&V 10-2006, American Society of Mechanical Engineers

ASME V&V 10-2006

• code: コンピュータへ実装されたアルゴリズム

• model: 実世界の物理現象の表現

– conceptual, mathematical, computational• verification: 計算が数学モデルを正しく表現

しているかどうかを決める過程

• validation: 使用に対して実世界の物理現象

を正しく表現しているかどうかを決める過程

コード開発の流れ

PIRT (Phenomena Identification and Ranking Table)

- Conceptual Modelの作成に有用

- V&V計画の作成に有用

Trucano et al., 2002, SAND2002-0341

Verificationの２段階

• Code Verification– コード開発が正しく行われていることの検証

– ソフトウェア品質保証

• Calculation Verification– 誤差評価：メッシュ依存性など

uncertainty: potential deficiencyerror: recognized deficiency

Oberkampf et al, 1998, ASME/AIAA Joint Thermophysics and Heat Transfer Conf.

Guide に関する議論San Francisco, 2007

• predictionには必ずextrapolationが伴う。（V&Vではpredictionはできないのではないか）

• 具体的なFEMでは、Conceptual Model, Mathematical Model, Numerical Modelが切り離

せない。

• V&Vはコストがかかる（検証のための実験データ取得など）。これを正当化する論拠としてGuideを使い

たい。

AIAA G-077-1998

AIAA GuideにおけるV&V

姉歯元一級建築士による構造計算書の改ざん

構造計算プログラム

国土交通大臣の認定

認可プログラムによる個別の建築物の構造計算

（財）日本建築センター

１０６種

（2005年12月5日 読売新聞）

姉歯氏は認可プログラムによる出力を別のソフトで読み込み、改ざんしたらしい。

計算結果の信頼性が損なわれると大きな社会問題にまで発展する。

CAEにおける最近の動き

• 汎用コードの普及と自社開発の停滞

– ソフトウェアのブラックボックス化

• CAE業界の発生：CAE懇話会

• 計算力学技術者認定：日本機械学会

• 田口メソッドの浸透

– ロバストな設計パラメータの決定方法

– 計算ケースの具体的な条件設定ができる

まとめ

• 計算結果の信頼性の技術基準を作るべき– 汎用コードの結果の信頼性は、汎用コードを使っているの一言ですませらるのか？

– 計算受託の見積もりと計算結果の信頼性の間の関係があいまいでは？

• prediction, extrapolation, uncertaintyの大

問題は未解決• V&V, CSAU手法, EMDAP, ロバスト設計と

の相互関係は？• 知識の計算科学技術的な再構築が必要か