2026/03/07 更新

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ナカムラ　カズユキ
中村　和幸
NAKAMURA KAZUYUKI
所属
学部 総合数理学部 専任教授
職名
専任教授
ホームページ
https://www.isc.meiji.ac.jp/~knaka/index-j.html
外部リンク

研究キーワード

  • ベイズ統計

  • 逆解析

  • 時空間データ解析

  • 深層学習

  • データ同化

  • 粒子フィルタ

  • Bayesian statistics

  • Inverse analysis

  • 変分オートエンコーダ

  • Data Assimilation

  • Spatio-temporal data analysis

研究分野

  • 情報通信 / 統計科学

  • 情報通信 / 知能情報学

  • 情報通信 / 知覚情報処理

  • 情報通信 / ソフトコンピューティング

  • 情報通信 / 数理情報学

  • 情報通信 / 計算科学

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学歴

  • 総合研究大学院大学   複合科学研究科   統計科学専攻

    2004年 - 2007年

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  • 東京大学大学院   情報理工学系研究科   数理情報学専攻

    2002年 - 2004年

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  • 東京大学   工学部   計数工学科

    - 2002年

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    国・地域： 日本国

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経歴

  • 明治大学   総合数理学部   専任教授

    2018年 - 現在

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  • 明治大学   総合数理学部   専任准教授

    2013年 - 2018年

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  • 明治大学   大学院先端数理科学研究科   特任講師

    2011年 - 2013年

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  • 明治大学   研究・知財戦略機構   特任講師

    2009年 - 2011年

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  • 情報・システム研究機構   統計数理研究所   特任研究員

    2008年 - 2009年

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  • 科学技術振興機構 CREST研究員

    2007年 - 2008年

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所属学協会

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論文

  • Cell position-based evaluation of mechanical features of cells in multicellular systems 査読

    Hiroshi Koyama, Atsushi M. Ito, Hisashi Okumura, Tetsuhisa Otani, Kazuyuki Nakamura, Toshihiko Fujimori

    Journal of Theoretical Biology   2025年5月

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    掲載種別：研究論文（学術雑誌）  

    DOI： 10.1016/j.jtbi.2025.112070

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  • The Application of Zig-Zag Sampler in Sequential Markov Chain Monte Carlo 査読

    Yu Han, Kazuyuki Nakamura

    Journal of Information Processing   33   231 - 244   2025年

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    記述言語：英語   出版者・発行元：Information Processing Society of Japan  

    Particle filtering methods are widely utilized for state estimation in nonlinear non-Gaussian state space models. However, traditional particle filtering methods often suffer from weight degeneracy issues in high-dimensional situations. To overcome this challenge, various particle filtering methods have been developed to enhance state estimation performance in high-dimensional situations. Among these, the Sequential Markov Chain Monte Carlo (SMCMC) methods, which utilize composite Metropolis-Hastings (MH) kernels, significantly improve state estimation performance. In SMCMC, different Markov Chain Monte Carlo (MCMC) samplers can be incorporated in composite MH kernels as the proposal distribution. Specifically, as a special type of MCMC samplers, the Piecewise Deterministic Markov Process (PDMP) samplers can construct more efficient proposal distributions by utilizing non-reversible Markov processes and have already been applied in the design of composite MH kernels within SMCMC. In this study, we propose a novel approach to further improve state estimation performance in high-dimensional situations. We integrated the Zig-Zag Sampler (ZZS) —a special PDMP sampler—into the SMCMC framework and employed it to construct proposal distributions for the composite MH kernels. This integration fully leverages the advantages of both the ZZS and SMCMC. We assess the efficacy of our proposal method through numerical experiments on challenging high-dimensional state estimation tasks. The results demonstrate that our method significantly improves estimation accuracy and computational efficiency compared to existing state-of-the-art filtering techniques in high-dimensional situations.

    DOI： 10.2197/ipsjjip.33.231

    CiNii Research

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  • Representation of Protein Dynamics Disentangled by Time-Structure-Based Prior 査読

    Tsuyoshi Ishizone, Yasuhiro Matsunaga, Sotaro Fuchigami, Kazuyuki Nakamura

    Journal of Chemical Theory and Computation   2024年1月

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    記述言語：英語   掲載種別：研究論文（学術雑誌）  

    DOI： 10.1101/2023.09.13.557264

    DOI： 10.1021/acs.jctc.3c01025

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  • Deep learning-based flocculation sensor for automatic control of flocculant dose in sludge dewatering processes during wastewater treatment 査読

    Yokoyama, H., Yamashita, T., Kojima, Y., Nakamura, K.

    Water Research   260   2024年

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    掲載種別：研究論文（学術雑誌）  

    DOI： 10.1016/j.watres.2024.121890

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  • Effective mechanical potential of cell–cell interaction in tissues harboring cavity and in cell sheet toward morphogenesis 査読

    Koyama, H., Okumura, H., Otani, T., Ito, A.M., Nakamura, K., Kato, K., Fujimori, T.

    Frontiers in Cell and Developmental Biology   12   2024年

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    掲載種別：研究論文（学術雑誌）  

    DOI： 10.3389/fcell.2024.1414601

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  • データ同化技術を用いた橋梁の非線形地震応答解析モデルの精緻化 査読

    西澤 勇祐, 三浦 弘慈, デヴィン グナワン, 五十嵐 乃愛, 曽我部 直樹, 岩前 伸幸, 玉野 慶吾, 中村 和幸

    AI・データサイエンス論文集   5 ( 3 )   42 - 52   2024年

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    記述言語：日本語   出版者・発行元：公益社団法人 土木学会  

    地震などの自然災害に対するインフラ構造物の健全性を定量的かつ網羅的に評価するためには，多くのセンサや計測機による計測が必要となり，そのためのコストや手間が課題となる．そこで本研究では，データ同化の一種であるSISを用いて，限られた計測値から構造全体の損傷や性能を評価するための非線形地震応答解析モデルの状態推定手法を提案する．地震が作用する仮想の橋梁を例とした数値実験の結果，橋桁における1地点の加速度応答から塑性化によって変化した後の橋脚基部の剛性値を平均誤差21.4%で推定できることを示した．また，剛性値の推定に対して加速度応答の方向や，推定地点と計測地点の関係が推定精度に影響を与えることを確認した．さらに，計測計画の立案方法，および地震時に橋梁の健全性評価における同手法の活用方法を提案する．

    DOI： 10.11532/jsceiii.5.3_42

    CiNii Research

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  • 生産ラインにおける異常検知・非定常サイクル同定のオンラインシステム—Online Anomaly Detection and Cycle-time Estimation System for Production Lines 査読

    石曽根 毅, 樋口 知之, 中村 和幸

    計測自動制御学会論文集 = Transactions of the Society of Instrument and Control Engineers   59 ( 7 )   342 - 352   2023年7月

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    記述言語：日本語   出版者・発行元：東京 : 計測自動制御学会 ; [1965]-  

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    その他リンク： https://ndlsearch.ndl.go.jp/books/R000000004-I032982312

  • Effective mechanical potential of cell–Cell interaction explains three-dimensional morphologies during early embryogenesis 査読

    Koyama, H., Okumura, H., Ito, A.M., Nakamura, K., Otani, T., Kato, K., Fujimori, T.

    PLoS Computational Biology   19 ( 8 August )   2023年

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    掲載種別：研究論文（学術雑誌）  

    DOI： 10.1371/journal.pcbi.1011306

    DOI： 10.1101/812198

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  • Ensemble kalman variational objective: a variational inference framework for sequential variational auto-encoders 査読

    Tsuyoshi Ishizone, Tomoyuki Higuchi, Kazuyuki Nakamura

    Nonlinear Theory and Its Applications, IEICE   14 ( 4 )   691 - 717   2023年

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    記述言語：英語   掲載種別：研究論文（学術雑誌）   出版者・発行元：Institute of Electronics, Information and Communications Engineers (IEICE)  

    DOI： 10.1587/nolta.14.691

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  • Occupancy Detection for General Households by Bidirectional LSTM with Attention 査読

    Hisashi Oshima, Tsuyoshi Ishizone, Kazuyuki Nakamura, Tomoyuki Higuchi

    IECON 2022 – 48th Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society   2022年10月

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    掲載種別：研究論文（国際会議プロシーディングス）   出版者・発行元：IEEE  

    DOI： 10.1109/iecon49645.2022.9968594

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  • An Online System of Detecting Anomalies and Estimating Cycle Times for Production Lines 査読

    Tsuyoshi Ishizone, Tomoyuki Higuchi, Kosuke Okusa, Kazuyuki Nakamura

    IECON 2022 – 48th Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society   2022年10月

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    掲載種別：研究論文（国際会議プロシーディングス）   出版者・発行元：IEEE  

    DOI： 10.1109/iecon49645.2022.9969061

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  • The Influence of Velocity Refresh in Sequential MCMC with the Invertible Particle Flow and Discrete Bouncy Particle Sampler 査読

    Han Yu, Nakamura Kazuyuki

    Proceedings of the ISCIE International Symposium on Stochastic Systems Theory and its Applications   2022   18 - 23   2022年3月

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    記述言語：英語   出版者・発行元：The ISCIE Symposium on Stochastic Systems Theory and Its Applications  

    Sequential Markov Chain Monte Carlo (SMCMC) methods can be applied in the Bayesian inference framework with the nonlinear non-Gaussian state space model. SMCMC can avoid the weight degeneracy which impact the performance of Sequential Monte Carlo (SMC) methods in the high-dimensional state space model. Recently, Discrete Bouncy Particle Sampler (DBPS) is proposed as the refinement step in the Composite Metropolis-Hasting (MH) Kernel of SMCMC framework. Traditional Bouncy Particle Sampler has the reducible problem. In this paper, we explore different velocity refresh method to avoid the reducible problem in the DBPS method and embed the velocity refresh step into the SMCMC framework. We perform experiments to evaluate the proposed methods and the state-of-the-art SMCMC methods.

    DOI： 10.5687/sss.2022.18

    DOI： 10.2197/ipsjjip.33.231_references_DOI_8nKNjESHtFSKknZn7xWrKzhBa1D

    CiNii Research

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  • Glycolytic oscillations in HeLa cervical cancer cell spheroids 査読

    Amemiya, T., Shibata, K., Takahashi, J., Watanabe, M., Nakata, S., Nakamura, K., Yamaguchi, T.

    FEBS Journal   289 ( 18 )   2022年

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    掲載種別：研究論文（学術雑誌）  

    DOI： 10.1111/febs.16454

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  • Real-time Linear Operator Construction and State Estimation with the Kalman Filter 査読

    Ishizone, T., Nakamura, K.

    Journal of Information Processing   30   2022年

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    掲載種別：研究論文（学術雑誌）  

    DOI： 10.2197/ipsjjip.30.888

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  • Resolving the data asynchronicity in high-speed atomic force microscopy measurement via the Kalman Smoother 査読

    Kubo, S., Kato, S., Nakamura, K., Kodera, N., Takada, S.

    Scientific Reports   10 ( 1 )   2020年

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    掲載種別：研究論文（学術雑誌）  

    DOI： 10.1038/s41598-020-75463-1

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  • 楽譜情報を用いた高時間分解能Audio-to-MIDI変換 査読

    保利, 武志, 中村, 和幸, 嵯峨山, 茂樹

    情報処理学会論文誌   60 ( 11 )   2034 - 2047   2019年11月

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    記述言語：日本語   掲載種別：研究論文（学術雑誌）  

    本稿は，音楽音響信号に対し，高時間分解能で音楽特徴量（オンセット時刻，音長）を詳細に推定し，MIDI信号へと変換する手法について述べる．多重音からなる音楽音響信号に対する音楽特徴量の抽出は音楽情報科学分野においてきわめて重要な要素技術であり，演奏解析だけでなく自動演奏や作曲など幅広い音楽活動に寄与できる．特に演奏者の個性（演奏モデル）を獲得するためには，微細な演奏変化をとらえうる高時間分解能な解析が必要とされており，またビッグデータ活用も視野に入れる場合，実演奏に対する詳細な解析の自動化が望まれている．本研究では，演奏者は楽譜どおりに演奏しているという仮定のもと，詳細解析のための多重時間分解能解析手法を提案する．音楽音響信号に対し高周波数分解能にチューニング補正および楽譜情報全体とのマッチングをとり，そのタイムアライメント情報を事前情報として，フレームレベル，波形領域レベルへと時間分解能を上げながらリファインする．また，楽譜との詳細アライメントと音高パターンから逐次解析範囲を限定し，打鍵された音の基本周波数を分離可能な周波数分解能下限を計算することで，リファインされた音楽特徴量を事前分布パラメータとしたベイズモデルによる高時間分解能な音楽特徴量抽出を実現する．評価実験の結果，和音打鍵時のオンセット時刻の揺れの検出に有効であること，また音長に対してもロバストな推定が可能であることが示され，本稿で提案する多重時間分解能解析に基づく演奏の詳細解析への有効性が示唆された．
    In this paper, we discuss a method for score-informed audio-to-MIDI conversion, which is aimed at high-time-resolution analysis for music performances. High-time-resolution analysis of music audio signals is expected to be useful for modeling music performance, which is required in automatic performance rendering systems, automatic composition systems, and music information retrieval. Performed music is characterized by fine deviations of music features (changing tempo, asynchronous chord onset timings, varying dynamics and note durations) from the written score, with which musicians increase the expressiveness of their performance. We present a method for precise multi-pitch analysis which is based on the assumption that a music performer plays notes according to a musical score. The algorithm first coarsely estimated note onset times based on matching with the score and then uses this time alignment information as a prior to precisely estimate onsets from high time-resolution spectra and the waveform domain. Based on the music score and its precise time alignment, we can determine the lowest frequency-resolution that still allows to discern the lowest notes that occur at a given position in the music piece, which in turn allows to compute the highest usable time-resolution. The obtained onset and alignment information is used as prior in a Bayesian model to estimate music performance features in high time-resolution. Experimental results showed the effectiveness of our proposed approach to precise music performance analysis, especially, the asynchronous chord onset timings can be also identified in high time resolution.

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    その他リンク： http://id.nii.ac.jp/1001/00200587/

  • 逐次型データ同化手法の応用によるアンサンブル降雨予測情報の改善 査読

    勝山 翔生, 谷口 健司, 中村 和幸

    土木学会論文集Ｂ１（水工学）   74 ( 5 )   I_253 - I_258   2018年

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    記述言語：日本語   出版者・発行元：公益社団法人 土木学会  

    観測史上最大規模の降雨の発生や，地球温暖化に伴う大雨の強大化が懸念されるなか，実効性のあるソフト対策の実現のため，高精度な降雨予測情報が求められている．一方，決定論的な数値気象予測の精度は十分ではなく，気象庁はメソアンサンブル予報システムの試験運用を実施中である．本研究では，データ同化の一手法である粒子フィルタを応用したアンサンブル数値予測情報の改善のための基礎的な知見の獲得に取り組んだ．分散共分散行列を変化させた粒子フィルタによる予測値の修正では，適切な分散共分散行列の選定がアンサンブルの退化の回避に重要であるとの知見を得た．また，複数時刻の観測値の活用により改善度が高まる傾向がみられた．複数地点を対象とした修正では，単一地点を対象とした場合よりもスレットスコアに顕著な改善がみられた．

    DOI： 10.2208/jscejhe.74.5_i_253

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  • Analysis of Exchange Rates and Gold Price Using Relative Noise Contribution 査読

    Y. Shimazaki, K. Nakamura, Y. Tanokura

    Proceedings of the 49th ISCIE International Symposium on Stochastic Systems Theory and Its Applications   142 - 146   2018年

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    記述言語：英語   掲載種別：研究論文（国際会議プロシーディングス）  

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  • 状態空間モデルによる購買間隔の規則性の推定 査読

    奥野拓也, 中村和幸

    情報処理学会論文誌数理モデル化と応用（TOM）   63 ( 2 )   83 - 90   2018年

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    記述言語：日本語   掲載種別：研究論文（学術雑誌）   出版者・発行元：東京 : 日本オペレーションズ・リサーチ学会 ; 1956-  

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    その他リンク： https://ndlsearch.ndl.go.jp/books/R000000004-I028823706

  • Photoplethysmogram at green light: Where does chaos arise from? 査読

    N. Sviridova, T. Zhao, K. Aihara, K. Nakamura, A. Nakano

    Chaos, Solitons & Fractals   116   157 - 165   2018年

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    記述言語：英語   掲載種別：研究論文（学術雑誌）  

    DOI： 10.1016/j.chaos.2018.09.016

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  • Local noise sensitivity: Insight into the noise effect on chaotic dynamics 査読

    Nina Sviridova, Kazuyuki Nakamura

    CHAOS   26 ( 12 )   2016年12月

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    記述言語：英語   掲載種別：研究論文（学術雑誌）  

    DOI： 10.1063/1.4970322

    Web of Science

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  • Fast and stable estimation of macroscopic parameters in particle systems by data assimilation 査読

    K. Nakamura, Y. Kono

    Proceedings of the 47th ISCIE International Symposium on Stochastic Systems Theory and Its Applications   132 - 136   2016年

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  • 個人別セールスプロモーション効果の推定 査読

    奥野拓也, 中村和幸

    情報処理学会論文誌数理モデル化と応用（TOM）   9 ( 3 )   61 - 74   2016年

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    記述言語：日本語   掲載種別：研究論文（学術雑誌）   出版者・発行元：情報処理学会  

    セールスプロモーションは顧客の購買行動へ直接的に働きかけるため，多用されているマーケティング施策である．しかし，セールスプロモーションの効果に関しては他の要因から複雑な影響を受けているため純粋な計測が難しいが，要請は強い．本研究はそういったニーズに鑑み，市場反応が動的であると仮定し，プロモーション活動が来店・購買に与える影響を推定する．そのために，来店と購買の生起行動を確率モデルで構築する．構築した確率モデルを状態空間モデルで記述し，個人ごとに提供するプロモーションが与える影響の時間変化を推定する．スーパーマーケットのID付きPOSデータから価格帯の異なる2商品を用いた結果，長期的なプロモーションの購買へ与える影響が異なることが示唆された．両商品において継続的なプロモーション効果があるが，高価格帯で割引率の高い商品は低価格帯で割引率の低い商品よりも長期的にはプロモーション効果が弱くなることが確認された．
    In the marketing field, sales promotion is used extensively because it can directly work on consumer buying behavior. The measurement of the effect of the sales promotion is required though it is difficult because the effect is complexly affected from other factors. In this research, we estimate the effect of sales promotion on a shopping trip and purchase behavior by assuming dynamic market response. Probability model of the occurrence of the shopping trip and purchase behavior is constructed. This model is transformed to state space model and we estimate the time course of the effect of the individual promotion. We have targeted two items in analysis using ID-POS data of a supermarket. The result implies that the effect of long-term promotion is different between two items. More specifically, the effect of the promotion of the item that is high price and high discount becomes weaker than the one that is low price and low discount in long-term period though it is continued for both items in analyzed period.

    CiNii Research

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    その他リンク： http://id.nii.ac.jp/1001/00176307/

  • Estimating cellular parameters through optimization procedures: Elementary principles and applications 査読

    Kimura, A., Celani, A., Nagao, H., Stasevich, T., Nakamura, K.

    Frontiers in Physiology   6 ( MAR )   2015年

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    掲載種別：研究論文（学術雑誌）  

    DOI： 10.3389/fphys.2015.00060

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  • A new setting method of friction parameter for real-time Tsunami run-up simulations based on inundation observations 査読

    Yoshito Ohya, Kazuyuki Nakamura

    Theoretical and Applied Mechanics Japan   62   167 - 178   2014年

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    記述言語：英語   掲載種別：研究論文（学術雑誌）   出版者・発行元：Science Council of Japan  

    DOI： 10.11345/nctam.62.167

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  • Rapid detection of the switching point in a financial market structure using the particle filter 査読

    Yura, Y., Takayasu, H., Nakamura, K., Takayasu, M.

    Journal of Statistical Computation and Simulation   84 ( 10 )   2014年

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    掲載種別：研究論文（学術雑誌）  

    DOI： 10.1080/00949655.2013.781603

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  • Data assimilation using the particle filter for identifying the elasto-plastic material properties of geomaterials 査読

    Akira Murakami, Takayuki Shuku, Shin-ichi Nishimura, Kazunori Fujisawa, Kazuyuki Nakamura

    INTERNATIONAL JOURNAL FOR NUMERICAL AND ANALYTICAL METHODS IN GEOMECHANICS   37 ( 11 )   1642 - 1669   2013年8月

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    記述言語：英語   掲載種別：研究論文（学術雑誌）  

    DOI： 10.1002/nag.2125

    Web of Science

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  • 津波減災のための浸水シミュレーションと観測データの活用 査読

    大家 義登, 中村 和幸

    応用数理   23 ( 3 )   112 - 123   2013年

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    記述言語：日本語   出版者・発行元：一般社団法人 日本応用数理学会  

    DOI： 10.11540/bjsiam.23.3_112

    CiNii Research

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    その他リンク： https://ndlsearch.ndl.go.jp/books/R000000004-I024917252

  • A High-Resolution Shape Fitting and Simulation Demonstrated Equatorial Cell Surface Softening during Cytokinesis and Its Promotive Role in Cytokinesis 査読

    Hiroshi Koyama, Tamiki Umeda, Kazuyuki Nakamura, Tomoyuki Higuchi, Akatsuki Kimura

    PLOS ONE   7 ( 2 )   e31607   2012年2月

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    記述言語：英語   掲載種別：研究論文（学術雑誌）  

    DOI： 10.1371/journal.pone.0031607

    Web of Science

    PubMed

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  • Parameter identification for Cam-clay model in partial loading model tests using the particle filter 査読

    Shuku, T., Murakami, A., Nishimura, S.-I., Fujisawa, K., Nakamura, K.

    Soils and Foundations   52 ( 2 )   279 - 298   2012年

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    掲載種別：研究論文（学術雑誌）  

    DOI： 10.1016/j.sandf.2012.02.006

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  • 変化点検出を応用した時系列データからの突発現象の前兆検出アルゴリズム 査読

    徳永 旭将, 池田 大輔, 中村 和幸, 樋口 知之, 吉川 顕正, 魚住 禎司, 藤本 晶子, 森岡 昭, 湯元 清文

    情報処理学会論文誌数理モデル化と応用（TOM）   4 ( 3 )   14 - 34   2011年7月

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    記述言語：日本語   掲載種別：研究論文（学術雑誌）   出版者・発行元：情報処理学会  

    一般に，前兆現象は突発現象にそのものに比べて非常に目立ちにくく，その開始時刻は曖昧である．従来よく用いられてきた変化点検出法を適用した場合，このような微小で緩慢な変化は見逃されやすい．Tokunagaら(2010)では，Ideら(2005)の提案した特異スペクトル分析を応用した変化点検出法（SST）を，多次元データを用いたアルゴリズム（MSST）へと拡張することで，鋭敏に前兆現象の開始時刻を推定できることを示した．MSSTは，緩慢な変化も検出できる鋭敏な手法であるが，実データへの適用では誤検出が問題になる．本稿では，突発現象の大まかな開始時刻をあらかじめ検出し，さらに検出された時刻の前後で前兆現象の開始時刻と終了時刻を個別に探索することで，前兆現象を鋭敏に検出でき，かつMSST単体よりも誤検出を劇的に減少させることができることを示す．
    In general, precursory events are observed as minute and less-visible fluctuations preceding an onset of massive fluctuations of extraordinary phenomena. Hence, existing change-point detection methods most likely overlook precursory events. Tokunaga, et al. (2010) extended the method for detecting the change-points, Singular Spectrum Transformation (SST) proposed by Ide, et al. (2005), to the multivariable SST (MSST). Although MSST can detect minute changes, we have to reduce false positives because real world data includes non-stationary trends and measurement noise. In this paper, we propose the algorithm to detect precursory events in an off-line manner. Our algorithm consists of three kinds of change-point detection methods. We show that the number of false positive reduce drastically by combining three different types of change-point detection methods.

    CiNii Research

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    その他リンク： http://id.ndl.go.jp/bib/024299254

  • Onset time determination of precursory events in time series data by an extension of Singular Spectrum Transformation 査読

    Terumasa Tokunaga, Daisuke Ikeda, Kazuyuki Nakamura, Tomoyuki Higuchi, Akimasa Yoshikawa, Teiji Uozumi, Akiko Fujimoto, Akira Morioka, Kiyohumi Yumoto

    International Journal of Circuits, Systems and Signal Processing   5 ( 1 )   46 - 60   2011年

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    掲載種別：研究論文（学術雑誌）  

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  • Optimization of boundary condition and physical parameter in an ocean tide model using an evolutionary Algorithm 査読

    Daisuke Inazu, Tomoyuki Higuchi, Kazuyuki Nakamura

    Theoretical and Applied Mechanics Japan   58   101 - 112   2010年

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    記述言語：英語   掲載種別：研究論文（学術雑誌）  

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  • Constraining Interplate Frictional Parameters by Using Limited Terms of Synthetic Observation Data for Afterslip : A Preliminary Test of Data Assimilation 査読

    MITSUI Noa, HORI Takane, MIYAZAKI Shin’ichi, NAKAMURA Kazuyuki

    Theoretical and Applied Mechanics Japan   58   113 - 120   2010年

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    記述言語：英語   掲載種別：研究論文（学術雑誌）   出版者・発行元：National Committee for IUTAM  

    Frictional parameters at the plate interface during an earthquake generation cycle can be estimated from a model based on laboratory-derived rate- and state-dependent friction laws by using sequential importance sampling (SIS, a type of particle filter) to develop a quantitative model for forecasting earthquakes. We can use daily synthetic afterslip data for one year from the day after an earthquake to accurately determine steady state velocity dependence (a-b)σ, but not characteristic slip distance d<sub>c</sub>. However, if we use data for one day from the commencement of afterslip, with high time resolution, dc can also be determined accurately if noise levels are low enough. When d<sub>c</sub> is small, the information that allows determination of d<sub>c</sub> is included only in the data within one day after an earthquake. Although at high time resolution noise levels are high and comparable in amplitude to the signal, advances in GPS technology will decrease noise levels and allow d<sub>c</sub> to be determined more accurately.

    DOI： 10.11345/nctam.58.113

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  • 粒子フィルタによる神戸空港島沈下挙動のデータ同化 査読

    珠玖隆行, 村上 章, 西村伸一, 藤澤和謙, 中村和幸

    応用力学論文集   13   99 - 105   2010年

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    記述言語：日本語   掲載種別：研究論文（学術雑誌）   出版者・発行元：東京 : 土木学会  

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    その他リンク： https://ndlsearch.ndl.go.jp/books/R000000004-I10469687

  • Accurate ocean tide modeling in southeast Alaska and large tidal dissipation around Glacier Bay 査読

    Daisuke Inazu, Tadahiro Sato, Satoshi Miura, Yusaku Ohta, Kazuyuki Nakamura, Hiromi Fujimoto, Christopher F. Larsen, Tomoyuki Higuchi

    JOURNAL OF OCEANOGRAPHY   65 ( 3 )   335 - 347   2009年6月

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    記述言語：英語   掲載種別：研究論文（学術雑誌）  

    DOI： 10.1007/s10872-009-0031-y

    Web of Science

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  • 粒子フィルタによる地盤解析のデータ同化—Data assimilation in geotechnical analysis using the particle filter 査読

    村上 章, 西村 伸一, 藤澤 和謙, 中村 和幸, 樋口 知之

    応用力学論文集   12   99 - 105   2009年

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    記述言語：日本語   掲載種別：研究論文（学術雑誌）   出版者・発行元：東京 : 土木学会  

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    その他リンク： https://ndlsearch.ndl.go.jp/books/R000000004-I10469687

  • Parameter estimation of in silico biological pathways with particle filtering towards a petascale computing 査読

    Kazuyuki Nakamura, Ryo Yoshida, Masao Nagasaki, Satoru Miyano, Tomoyuki Higuchi

    Pacific Symposium on Biocomputing 2009, PSB 2009   227 - 238   2009年

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    記述言語：英語   掲載種別：研究論文（国際会議プロシーディングス）  

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    PubMed

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  • Merging Particle Filterとその特性 査読

    中野 慎也, 上野 玄太, 中村 和幸, 樋口 知之

    統計数理 = Proceedings of the Institute of Statistical Mathematics   56 ( 2 )   225 - 234   2008年12月

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    記述言語：日本語   掲載種別：研究論文（学術雑誌）   出版者・発行元：統計数理研究所  

    要旨あり
    データマイニングと統計数理
    研究ノート

    CiNii Research

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    その他リンク： http://id.ndl.go.jp/bib/9790326

  • A recursive recomputation approach for smoothing in nonlinear state-space modeling: An attempt for reducing space complexity 査読

    Kazuyuki Nakamura, Takashi Tsuchiya

    IEEE TRANSACTIONS ON SIGNAL PROCESSING   55 ( 11 )   5167 - 5178   2007年11月

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    記述言語：英語   掲載種別：研究論文（学術雑誌）  

    DOI： 10.1109/TSP.2007.899585

    Web of Science

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  • Sequential data assimilation: Information fusion of a numerical simulation and large scale observation data

    Nakamura, K., Higuchi, T., Hirose, N.

    Journal of Universal Computer Science   12 ( 6 )   2006年

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    掲載種別：研究論文（学術雑誌）  

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  • Sequential data assimilation: Information fusion of a numerical simulation and large scale observation data

    Kazuyuki Nakamura, Tomoyuki Higuchi, Naoki Hirose

    JOURNAL OF UNIVERSAL COMPUTER SCIENCE   12 ( 6 )   608 - 626   2006年

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    記述言語：英語   掲載種別：研究論文（学術雑誌）  

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  • データ同化：その概念と計算アルゴリズム 査読

    中村和幸, 上野玄太, 樋口知之

    統計数理   53 ( 2 )   211 - 229   2005年

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    記述言語：日本語   出版者・発行元：統計数理研究所  

    要旨あり計算推論 － モデリング・数理・アルゴリズム －研究詳解

    CiNii Research

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書籍等出版物

  • 基幹講座 数学 統計学

    中村 和幸（ 担当： 単著）

    東京図書  2017年 

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  • 現象数理学の冒険

    三村昌泰, 杉原厚吉, 青木健一, 中村和幸, 高安秀樹, 砂田利一, 萩原一郎（ 担当： 分担執筆 範囲: 「地球科学の数理」）

    明治大学出版会  2015年 

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  • 新版 信頼性ハンドブック

    日本信頼性学会編（ 担当： 分担執筆 範囲: 「2.7.1 データ同化とは」）

    日科技連  2014年 

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  • データ同化入門―次世代のシミュレーション技術―

    樋口知之, 上野玄太, 中野慎也, 中村和幸, 吉田亮（ 担当： 分担執筆 範囲: ５章ならびに９章）

    朝倉書店  2011年 

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MISC

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受賞

  • 論文賞（英文部門）

    2013年6月   地盤工学会  

    珠玖隆行, 村上章, 西村伸一, 藤澤和謙, 中村和幸

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  • Poster Award

    2008年12月   バイオスーパーコンピューティングシンポジウム2008  

    中村 和幸

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共同研究・競争的資金等の研究課題

  • データ分布の統計的特徴とCNNの数理構造に基づく判断根拠可視化の学理構築と実証

    研究課題/領域番号：23K11156  2023年4月 - 2026年3月

    日本学術振興会  科学研究費助成事業  基盤研究(C)

    中村 和幸, 越智 小枝, 宮坂 政紀, 井上 雅世

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    担当区分：研究代表者 

    配分額：4810000円 （ 直接経費：3700000円 、 間接経費：1110000円 ）

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  • 脳細胞ネットワークにおける乳酸代謝動学－脳の高次機能や神経疾患の解明を目指して－

    研究課題/領域番号：20K20631  2020年7月 - 2023年3月

    日本学術振興会  科学研究費助成事業  挑戦的研究(開拓)

    雨宮 隆, 中村 和幸, 山口 智彦

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    担当区分：研究分担者 

    配分額：26000000円 （ 直接経費：20000000円 、 間接経費：6000000円 ）

    脳の高次機能や神経疾患に関わると考えられる脳細胞における乳酸の代謝動態の解明を目的として研究を進めている。そのために，アストロサイトで産生された乳酸がニューロンに輸送されて代謝されるというANLS（Astrocyte Neuron Lactate Shuttle）仮説の検証を行うこととした。アストロサイトで産生された乳酸がニューロンに輸送されて代謝されれば，これら2種類の細胞の間には乳酸輸送に関する因果性が生じる。そこで，申請者らが研究を行ってきた1細胞レベルの代謝振動現象を利用すれば，このような因果関係を統計学的に解析できるものと推論した。
    そこで，アストロサイト／ニューロン混合培養系の確立と因果性解析のための統計学的手法の確立の2つを目的として研究を進めた。まず，マウス中枢神経系幹細胞株（MEB5）を用いた共培養系の実験を行った。各種培地組成を用いてMEB5の培養を試みたが，分化に必要な細胞密度に達する前に細胞が死滅する結果となり，本細胞株の培養は困難であることが分かった。そこで次に，マウス胚性腫瘍由来細胞株（P19C6）を選択した。この細胞株は接着性の腫瘍由来であることから，培養が比較的容易であると考えた。レチノイン酸の添加により，分化開始6日目に軸索を有しかつ増殖が見られないニューロンと思われる細胞に，また，10日目には軸索構造をもつ細胞とは別の形状をした増殖細胞のアストロサイトと思われる細胞が出現した。今後，免疫染色などによる細胞の同定が必要であるが，ANLS仮説の検証に必要なアストロサイト／ニューロン混合培養系の確立に向けて大きく前進した。
    因果性の統計学的解析手法として，CCM（Convergent Cross Mapping）法をヒト子宮頚がんHeLa細胞スフェロイドの糖代謝振動に適用し，隣接細胞の相互作用をCCM強度として抽出できることを明らかにした。

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  • 変分オートエンコーダと粒子フィルタの融合による状態空間モデリングの自動化

    研究課題/領域番号：19H04186  2019年4月 - 2023年3月

    日本学術振興会  科学研究費助成事業  基盤研究(B)

    樋口 知之, 中村 和幸, Wu Stephen

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    担当区分：研究分担者 

    配分額：16900000円 （ 直接経費：13000000円 、 間接経費：3900000円 ）

    非線形および非ガウスの状態空間モデルの一般的解法は、原理的には粒子フィルタによって与えられる。ただし、状態空間モデル利用上の最大の障害は、システムモデルと観測モデルの型は所与でなければならない点である。この難点を解決するため、本研究では深層学習による生成モデルであるVariational Auto Encoder（VAE)を状態空間モデルの枠組みに導入した、理論研究とアルゴリズムの確立を目指している。具体的には、パラメータ同定も含めてシステムモデルと観測モデルの自動同定法の確立になる。
    本年度は、状態空間モデルが時間とともに変容していくデータに対して、アルゴリズムの追随性や可塑性を数値実験により検討した。具体的な検証事例として、モデルは既知であるが内在するパラメータが時間とともにゆっくり変化する人工データに対してアルゴリズムを適用した。パラメータ学習アルゴリズムとしては、粒子フィルタのフィルタリングに発想を得た、ELVOの時系列版であるFIVOが提案・利用されている。しかしながら、粒子数を増やしてもELVOの推定精度の大きな改善が得られないことが問題である。FIVOよりも計算時間はかかるが、状態空間モデルでのスムージングアルゴリズムにヒントを得た、フォワードフィルタリング・バックワードリサンプリングのELVO版アルゴリズムである、SVOの適用・改善もいろいろ試みられている。我々は、FIVO、SVOの数値実験比較とあわせて、逐次アンサンブルベースアルゴリズムの別手法を援用することで、粒子数を劇的に減らしながら推定精度を向上させるアルゴリズムの開発を行った。

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  • 作曲・演奏・信号の数理モデルに基づく音楽の生成と解析の研究

    研究課題/領域番号：17H00749  2017年4月 - 2020年3月

    日本学術振興会  科学研究費助成事業  基盤研究(A)

    嵯峨山 茂樹, 北原 鉄朗, 齋藤 康之, 堀 玄, 小野 順貴, 中村 和幸, 堀内 靖雄, 齋藤 大輔, 饗庭 絵里子

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    担当区分：研究分担者 

    配分額：45630000円 （ 直接経費：35100000円 、 間接経費：10530000円 ）

    音楽情報処理研究分野で多彩な研究を行った。音楽情報は、楽譜階層、演奏階層、信号階層の３段の階層構造を持つ分野である捉え、階層内および階層間の情報変換、およびそれらの人間とのインタラクションの観点から、様々な課題に取り組み、多数の研究成果を得た。若干の成果例を挙げると、(1)楽曲の自動補完：メロディ断片や部分的な和声など穴あきだらけの曲を補完・完成する問題の世界初の提唱と解法、(2)楽譜を用いた音楽信号のonset時刻の詳細な解析分離、(3)自動運指決定のための新しい理論とアルゴリズム、(4)自動伴奏システムの福祉応用、(5)自動作曲システムOrpheusの社会への普及、など多数。

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  • データ同化モデリングの自動化原理開発によるハイレベル予測発見手法の構築

    2017年 - 2020年

    科学技術振興機構  戦略的創造研究推進事業 さきがけ 

    中村 和幸

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    担当区分：研究代表者 

    データ同化は、計測とシミュレーションを融合することで新知識発見や予測を可能とする技術ですが、個別の問題に合わせたモデリングが必要なため、適用分野が限定されてきました。本提案では、ベイズ統計・非線形数理解析といった統計・数理手法を組み合わせ、客観的かつ自動的なデータ同化モデリングの原理を生み出します。これにより、高度計測と融合したデータ同化を可能とし、様々な計測での新たな潜在知識発見を実現します。

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    J-GLOBAL

  • 粒子法流体解析における統計モデル導入による新しい知識発見原理の構築

    研究課題/領域番号：15H05303  2015年4月 - 2018年3月

    日本学術振興会  科学研究費助成事業  若手研究(A)

    中村 和幸

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    担当区分：研究代表者 

    配分額：4810000円 （ 直接経費：3700000円 、 間接経費：1110000円 ）

    粒子法流体解析では，流体を多粒子で表現して分析する．ここに現れる誤差に対して，予測誤差推定手法構築，水槽実験計測，統計的誤差評価の実施を通じて，分布で与えるための枠組みと原理を構築した．特に，粒子系におけるマクロパラメータを表現する誤差モデルとしての有限正規一様混合分布の有効性や，誤差分布のモデルとして裾の重い分布を用いることの有効性が確認できた．また，鍵となる物理量を理解しやすい形で確認し，分析内容の検証に役立てることができる可視化結果，粒子法と関係する確率的セルオートマトンモデルにおける誤差評価結果や局所ノイズ鋭敏性と粒子法解析との関係性についての成果を得た．

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  • 固体地球科学に資する次世代型データ同化法の創出

    研究課題/領域番号：26280006  2014年4月 - 2018年3月

    日本学術振興会  科学研究費助成事業  基盤研究(B)

    長尾 大道, 宮崎 真一, 堀 高峰, 中野 慎也, 中村 和幸, 庄 建倉, 福田 淳一, 小屋口 剛博, 市村 強, 岩田 貴樹, 水迫 覚信, 鈴木 皓博, 石川 大智, 黒河 天, 加納 将行, 伊藤 伸一

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    担当区分：研究分担者 

    配分額：16380000円 （ 直接経費：12600000円 、 間接経費：3780000円 ）

    本研究課題では、固体地球科学に資する次世代型データ同化手法の創出という所期の目的を、大きく進歩させることができた。特に，大自由度モデルにも適用可能なデータ同化手法である4次元変分法の高度化や、レプリカ交換モンテカルロ法との融合によるモデル／データ両駆動型データ同化の地震観測網データへの応用研究を実施した。また、国内および海外における多数の学会において成果発表を行うとともに，国際誌に論文を出版した。これらの成果をまとめた教科書を出版する予定である。さらに、日本地球惑星科学関連学会連合大会を始めとする学会において、本研究課題に関連するセッションを開催した。

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  • 衛星観測に基づく雲底高度推定とその応用による衛星データ同化手法の開発

    研究課題/領域番号：26289162  2014年4月 - 2018年3月

    日本学術振興会  科学研究費助成事業  基盤研究(B)

    谷口 健司, 中村 和幸, 広瀬 望, 久保 守

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    担当区分：研究分担者 

    配分額：16120000円 （ 直接経費：12400000円 、 間接経費：3720000円 ）

    本研究では，数値気象モデルによる降水予測精度向上のため，衛星搭載マイクロ波放射計による観測データを活用したアンサンブルカルマンフィルタによるデータ同化手法の開発を実施し，複数周波数帯の観測輝度温度の活用および複数時刻の観測データを活用した連続データ同化によって，モデル大気場の修正効果に向上する傾向がみられることを明らかにした．また，雲微物理量の鉛直分布を与える際の雲底高度について，温度依存性が大きく，その関係を活用することにより，適時性の高い雲底高度を推定することが可能となることを示した．

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  • 音楽の作曲・演奏・信号の数理モデルを融合する音楽音響情報処理の研究

    研究課題/領域番号：26240025  2014年4月 - 2017年3月

    日本学術振興会  科学研究費助成事業  基盤研究(A)

    嵯峨山 茂樹, 小野 順貴, 堀 玄, 堀内 靖雄, 中村 和幸, 北原 鉄朗, 齋藤 康之, 亀岡 弘和, 金子 仁美, 菅野 由弘

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    担当区分：研究分担者 

    配分額：42640000円 （ 直接経費：32800000円 、 間接経費：9840000円 ）

    音楽の作曲・演奏・信号の複数階層の数理モデルの開拓と融合を進めた。A: 信号階層では、音楽信号の多重音解析、楽譜整合、信号の変換・加工・分離、音源方向推定、音楽の電子透かしなど、B: 演奏階層では、演奏解析、リズム推定、自動演奏、自動伴奏、運指決定、自動ジャズセッションなど、C: 楽譜階層では音楽作曲理論の数理的定式化を軸にした和声認識、楽曲構造解析、歌詞からの自動作曲、自動作詞、自動編曲、画像からの自動作曲など、D: 共通基盤ではこれらを支える数理モデル化や機械学習・最適化、多階層ニューラルネットなどを階層間に渡る問題に重点をおいて、研究・開発を行った。

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  • シミュレーションと観測を融合する新しいバッチ型アルゴリズムによる知識発見原理

    研究課題/領域番号：25870803  2013年4月 - 2016年3月

    日本学術振興会  科学研究費助成事業  若手研究(B)

    中村 和幸

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    担当区分：研究代表者 

    配分額：1690000円 （ 直接経費：1300000円 、 間接経費：390000円 ）

    数値シミュレーションと観測データを融合する手法であるデータ同化について，新しいバッチ型のデータ同化アルゴリズムの構築とその有効性の検証を行った．アルゴリズムについては，繰り返し計算を用いた計算手法が有効である可能性を見出した．さらにその有効性について，いくつかの試験用のモデルを通じた数値計算による検証を行った．検証により，有効性が確認されるとともに，数値シミュレーションに含まれる誤差を表現する確率分布を変えることで，データ同化のためのより適切な数理的枠組構築ができることを確認した．

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  • 統計的信号処理と音楽理論を融合する多面的音楽処理の研究

    研究課題/領域番号：23240021  2011年4月 - 2014年3月

    日本学術振興会  科学研究費助成事業  基盤研究(A)

    嵯峨山 茂樹, 小野 順貴, 西本 卓也, 齋藤 大輔, 堀 玄, 中村 和幸, 金子 仁美

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    担当区分：研究分担者 

    配分額：38740000円 （ 直接経費：29800000円 、 間接経費：8940000円 ）

    統計的信号処理と音楽理論の数理モデルを融合して、音楽(および音響・音声)の信号処理と情報処理に多面的に取り組んだ。音声認識分野では音響処理と言語処理の融合がキー技術であったように、音楽においては信号処理と音楽理論の融合が必須である。具体的には、A: 数理モデルと統計学習を軸にした音楽信号の解析・変換・加工・分離・検出、B: 音楽理論の数理的定式化を軸にした音楽信号の和音認識・リズム解析・セグメンテーション・構造解析・ジャンル認識、C: 機械学習と最適化を軸にした自動演奏・自動作曲・自動伴奏・自動編曲などを研究・開発した。

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