多成分混合物の物性予測と機械学習の活用

■　講師

静岡大学　工学部　化学バイオ工学科　講師　博士（工学）　村上裕哉氏

【専門】
化学工学

【略歴】
2018年4月 - 2020年3月日本学術振興会, 特別研究員 (DC2)
2020年4月 - 2024年3月東京理科大学, 工学部工業化学科, 助教
2023年4月 - 2024年3月東京電機大学, 工学部 , 非常勤講師
2024年4月 - 静岡大学工学部化学バイオ工学科講師
現在に至る

■　開催要領

日　時	：	【Live配信】２０２６年７月２４日（金）　１３：００～１６：００【アーカイブ（録画）配信】２０２６年８月４日まで受付（視聴期間：８月４日～８月１４日まで）
会　場	：	Zoomを利用した Live配信またはアーカイブ配信　※会場での講義は行いませんセミナーの接続確認・受講手順は「こちら」をご確認下さい。
聴講料	：	1名につき４９,５００円（消費税込、資料付）〔１社２名以上同時申込の場合のみ１名につき４４,０００円〕〔大学、公的機関、医療機関の方には割引制度があります。詳しくは上部の「アカデミック価格」をご覧下さい〕

■　プログラム

【講座の趣旨】
　多成分混合物の密度、粘度、熱物性、相平衡物性などは、化学プロセス設計、分離操作、材料開発において重要な基礎情報です。近年、これらの物性推算に対して機械学習の活用が進んでいますが、多成分系では成分数、組成、温度、圧力などの条件が複雑に組み合わさるため、十分な実験データを網羅的に取得することは容易ではありません。
本講演では、多成分混合物の物性推算を対象に、機械学習モデルへ混合則、過剰物性、組成依存性、温度依存性、分子構造情報などの物理化学的知見を組み込むことで、限られたデータから高精度かつ安定な推算を実現するための考え方を紹介します。単純なブラックボックス型モデルではなく、理論的制約や事前知識を活用することで、学習効率や外挿性能を向上させる手法について解説します。
　また、一研究室レベルで収集可能な実験データを用いながら、既存の経験式や一般的な回帰モデルを上回る推算精度を達成した事例を紹介します。あわせて、データ削減の考え方、測定データと計算データの組み合わせ方、混合物物性に適した記述子設計、汎用的な実装の基本方針についても述べます。本講演を通じて、多成分混合物の物性推算において機械学習を効果的に活用するための実践的な視点を提供します。

【習得できる知識】
　本講演を通じて、受講者は、多成分混合物の物性推算における機械学習の基本的な考え方を習得できる。具体的には、ニューラルネットワークを中心とした機械学習モデルの基礎、混合物物性データの特徴、組成・温度・分子構造情報を用いた記述子設計、既存の混合則や経験式と機械学習モデルの違いを理解することができる。また、限られた実験データから高精度な推算を行うために、物理化学的知見や理論的制約を機械学習に組み込む考え方を学び、プロセス設計などの実問題において機械学習を適切に活用するための実践的な知識を得ることができる。

１．機械学習とニューラルネットワークの基礎

　1.1　機械学習と従来の回帰モデルの違い
　1.2　ニューラルネットワークの基本構造
　1.3　活性化関数と非線形関係の表現
　1.4　学習パラメータ数、過学習、汎化性能
　1.5　小規模データにおける機械学習活用の課題

２．多成分混合物の物性推算における課題

　2.1　化学プロセス設計における混合物物性の重要性
　2.2　密度、粘度、沸点、相平衡物性などの推算対象
　2.3　成分数、組成、温度に伴うデータ空間の拡大
　2.4　実験データ収集コストとデータ不足の問題
　2.5　既存の経験式・混合則による物性推算の限界

３．理論モデルと機械学習を融合した物性推算

　3.1　ブラックボックス型機械学習の問題点
　3.2　混合則・過剰物性・温度依存性の物理化学的意味
　3.3　勾配制約を組み込んだハイブリッドAI
　3.4　理論的に不自然な推算挙動の抑制
　3.5　非理想混合物への適用例

４．多成分混合物の物性推算モデルの実装と応用

　4.1　Pythonを用いた物性推算モデルの実装方針
　4.2　データセットの作成、前処理、記述子設計
　4.3　学習、検証、テストによる推算性能の評価
　4.4　少量データで高精度化するためのモデル設計

【質疑応答】