상수도관망의 상태평가 기반 관세척 일정계획 최적화 = Optimization of Flushing Schedules Based on Condition Assessment in Water Distribution Networks

국문 초록 (Abstract)

상수도관망의 장기적 신뢰성과 운영 효율성은 이론적 최적화 기법과 실제 현장의 제약조건 간의 간극을 해소하는 선제적 유지관리 전략에 달려 있다. 본 연구는 정량적 상태평가 결과와 운영 제약을 동시에 고려한 최적화 모델을 결합하여, 예산 제약 하에서도 실행 가능하고 효율적인 관세척 일정을 도출하기 위한 상태평가–최적화 결합형 통합 구조를 제안하였다.
먼저, 기존의 이분법적 평가 방식을 보완하기 위해 누적합 기반 상태등급 평가법(CSBM)을 적용하였다. 환경부 지침에서 규정한 7개 진단 지표를 기반으로 미충족 항목 수를 누적하여 등급을 산정함으로써, 관로의 수질 위험 요인 축적 정도를 정량화하고 잠재적 고위험 관로를 보다 정확하게 식별할 수 있도록 하였다.
또한 수리·수질 해석 결과와 GIS 공간정보를 연계하여 관망의 구조적 특성을 분석하고, 유향 및 관로 연결성을 반영한 실무 중심의 세척 단위 그룹을 설정하였다. 이러한 그룹화 방식은 세척 작업을 실제 흐름 구조와 일치시키도록 함으로써 현장 실행 가능성과 유지관리 효율성을 향상시킬 수 있다.
구축된 상태평가–그룹화 기반 자료를 바탕으로 유전 알고리즘(GA)을 적용하여 다년간의 관세척 일정을 최적화하였다. 실증 분석 결과, 현실적 제약조건을 반영하더라도 GA의 성능 저하는 나타나지 않았으며 총 세척 연장 등 주요 지표에서 안정적인 결과를 확인하였다.
본 연구는 상수도 운영자에게 데이터 기반 유지관리 의사결정 지원 체계를 제시하였으며, 실무적 효율성과 실행 가능성이 높은 관세척 계획 수립에 기여할 수 있을 것으로 판단된다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The long-term reliability and operational efficiency of water distribution systems depend on proactive maintenance strategies that effectively bridge the gap between theoretical optimization techniques and practical field constraints. This study proposes an integrated framework that combines quantitative pipe condition assessment with an operationally feasible optimization model to derive flushing schedules that remain both executable and cost-effective under budgetary limitations.
First, a Cumulative Sum-Based Method (CSBM) was employed to enhance conventional binary evaluation approaches. By applying seven diagnostic indicators specified in the Ministry of Environment Guideline and assigning grades based on the cumulative number of unmet criteria, the method quantifies the degree of accumulated water-quality risk and enables more precise identification of latent high-risk pipes.
Subsequently, hydraulic and water-quality simulation results were integrated with GIS-based spatial information to analyze the network’s structural characteristics. Based on this analysis, practice-oriented flushing groups were established by incorporating flow direction and pipe connectivity. This grouping strategy ensures consistency between flushing operations and the actual hydraulic behavior of the network, thereby enhancing field executability and maintenance efficiency.
Using this condition-assessment–based grouping dataset, a Genetic Algorithm (GA) was applied to optimize multi-year flushing schedules. Case-study results demonstrated that, even under realistic budget constraints and operational limitations, the performance of the GA remained stable across major performance indicators, including the total length of flushed pipes.
This study provides water utilities with a data-driven decision-support framework that can improve the operational efficiency of flushing plans. The findings indicate that the proposed approach can contribute to more effective and feasible maintenance planning in water distribution systems.

목차 (Table of Contents)

• 제1장 서론 1
• 1.1 연구의 배경 및 목적 1
• 1.2 연구의 범위 및 방법 4
• 1.3 연구의 흐름 및 구성 6
• 제2장 이론적 배경 및 선행연구 고찰 8
• 2.1 이론적 배경 8
• 2.1.1 상수도관망 유지관리 현황 8
• 2.1.2 관 세척 기준 및 지침 10
• 2.1.3 최적화 기법 12
• 2.2 선행연구 고찰 16
• 2.2.1 관로 내 수질관리를 위한 세척 필요성 16
• 2.2.2 관세척을 위한 관상태 평가 및 등급화 19
• 2.2.3 관세척 최적화 및 스케줄링 연구 동향 20
• 2.2.4 관망 최적화 기법의 발전과 적용 21
• 2.2.5 선행연구의 한계와 본 연구의 차별성 24
• 제3장 상태등급 평가 및 일정계획 최적화 방법론 27
• 3.1 상태등급 평가체계 구축 27
• 3.1.1 세척 등급 산정의 필요성과 기존 평가체계의 한계 27
• 3.1.2 충족 개수 기반 상태등급 산정 29
• 3.2 유향 기반 그룹화 기법 36
• 3.2.1 개념 및 구성 원칙 37
• 3.2.2 적용 절차 38
• 3.2.3 활용 방안 42
• 3.3 GA 기반 최적 세척 일정계획 43
• 3.3.1 최적화 모델 설계 43
• 3.3.2 적합도 함수 및 탐색 절차 45
• 제4장 상태등급 평가체계 적용 결과 47
• 4.1 평가체계 적용 개요 47
• 4.2 평가모델별 상태등급 산정 48
• 4.2.1 중규모 관망 등급 분포 및 전이 특성 48
• 4.2.2 장흥군 전체 관망 등급 분포 및 전이 특성 55
• 4.3 유향 기반 상태등급 특성 61
• 4.3.1 그룹별 등급 분포 및 변동 61
• 4.3.2 고찰 71
• 제5장 GA 기반 최적 일정계획 성능 평가 72
• 5.1 최적화 모델 적용 개요 72
• 5.2 중규모 관망 적용성 검증 73
• 5.2.1 관망 모델 구성 및 최적화 특성 73
• 5.2.2 모델의 신뢰성 검토 77
• 5.2.3 목적함수 변경에 따른 성능 민감도 88
• 5.2.4 예산 조건 변화에 따른 변동성 91
• 5.2.5 실무 계획 대비 개선 효과 96
• 5.3 유향 제약 적용 효과 100
• 5.3.1 제약조건 반영 구성 100
• 5.3.2 제약 적용에 따른 성능 변화 101
• 5.4 장흥군 전체 관망 최적 세척일정 수립 105
• 5.4.1 모델 구성 및 실행 조건 105
• 5.4.2 최적 일정 도출 105
• 제6장 결론 110
• 참고 문헌 113
• 부 록 (Appendix) 119
• ABSTRACT 133