상수관망의 신뢰도 산정을 위한 개별 관의 파괴 확률을 고려한 상수관 파괴모의 기법

전환돈,Jun. Hwandon 한국방재학회 2012 한국방재학회논문집 Vol.12 No.4

상수관망의 신뢰도 산정은 상수관망의 정확한 운영상황을 파악하기 위해서 중요지만 널리 받아들여지는 상수관망의 신뢰도 산정을 위한 방법은 없다. 관파괴와 이에 따른 영향을 바탕으로 한 Jun 등이 제안한 모델은 상수관망의 운영주체에서 실질적으로 활용이 가능한 기법이다. 그러나, Jun 등의 모델에서는 각 관의 파괴확률을 같게 설정하여 관파괴 모의를 실시하였기 때문에 실제 상수관망에서 발생하는 관파괴 양상을 정확하게 반영하지 못하였다. 따라서 본 연구에서는 각각의 관별 파괴확률을 고려하여 관파괴 모의를 가능케 Jun 등의 모델을 개선하여 상수관망의 신뢰도를 산정할 수 있는 모델을 제안하였다. 각각의 관별 파괴확률을 관경과 관길이를 바탕으로 산정하는 회귀식을 이용하여 산정한 후 이를 상수관망 신뢰도 산정을 위한 관파괴 모의에 적용하였다. 제안된 모델을 실제 상수관망에 적용하여 Jun 등의 모델과 본 연구에서 제안된 모델에 의해 산정되는 상수관망의 신뢰도를 비교하였다. 비교 결과 개별 관의 관파괴 확률을 반드시 고려하여야만 정확한 상수관망의 신뢰도 산정이 가능한 것으로 나타났다. Estimation of the reliability of a Water Distribution System(WDS) is important to understand the current operating condition of the system. Although, there is no widely accepted method to estimate the reliability of a WDS, the Jun`s model which is based on the pipe failure simulation and its impact can be efficiently adopted for the purpose by the water utility. In the model, however, it is assumed that the pipe failure probability of each pipe is even and this assumption may bring unrealistic estimation of the reliability of a WDS since with this assumption, the actual pipe failure characteristics occurred in the WDS cannot be simulated. For this reason, in this study, we suggest a modified method of the Jun`s model to consider the individual pipe`s failure probability. The regression equation which is based on diameter and length of the pipe is used to estimate the failure probability of the individual pipe and then, the pipe failure simulation is performed. The suggested model is applied to a real WDS to compare the results of the two models. Comparing them, it is concluded that the failure probability of the individual pipe should be considered to estimate the accurate reliability of a WDS when it is estimated by the pipe failure simulation.

대규모 segment 분할을 통한 상수관망 피해 최소화 기법

전환돈,이지호,유도근,이호민 한국방재학회 2012 한국방재학회 학술발표대회논문집 Vol.11 No.-

상수관망에서 관파괴가 발생할 경우 제수밸브의 차폐를 통하여 일정 부분의 상수관망이 다른 부분으로부터 격리되게 된다. 이러한 영역을 segment라고 정의하고 이에 대한 다양한 연구가 진행되었다. segment에 포함되는 상수관은 물흐름이 차단되기 때문에 단수가 발생하게 된다. 또한 segment의 차폐에 의해서 추가적으로 단수가 되는 영역이 발생할 수 있고 이러한 영역을 unintended isolation(UI)으로 정의된다. 상수관망을 운영하는 측면에서 관파괴는 피할 수 없는 문제이기 때문에 관파괴가 발생할 경우 단수에 의한 피해를 최소화하는 것이 중요하다. 이를 위해서는 대규모 피해를 야기하는 대규모 segment가 발생하지 않도록 해야 한다. 그러나 대규모 segment는 상수관망의 구조(water supply network topology)와 제수밸브의 배치에 따라 발생한다. 따라서 본 논문에서는 이러한 대규모 segment를 파악하고 적절한 위치에 제수밸브를 추가하여 대규모 segment를 분할하는 방안을 제시하여 관파괴에 따른 상수관망의 피해를 최소화하는 방안을 제시하였다. 대규모 segment 분할을 위한 모형은 네가지 모듈로 구성되어 있다. 첫 번째는 상수관망에 존재하는 모든 segment를 정의하고 segment와 연관된 UI를 정의하는 모듈이다. 두 번째 모듈은 정의된 segment별로 단수피해를 정량화하여 segment별 등급을 부여하는 모듈이다. 세 번째는 단수피해기준 대규모 segment별로 분할을 위한 제수밸브 위치 결정 모듈이다. 네 번째 모듈은 추가된 제수밸브에 의한 상수관망 피해 저감효과를 분석하는 상수관망 신뢰도 산정 모듈이다. 세 번째 모듈의 경우 수학적인 방법이 아닌 상수관망 운영주체가 직접 적용할 수 있도록 다섯 가지 기준을 제시하여 적정 제수밸브 위치를 결정하도록 하였다. 제안된 모형을 이스라엘의 실제 상수관망에 적용하여 적용성을 검증하였다.

제수밸브 중요도 등급 결정기법의 실제 상수관망 적용 연구

전환돈,이지호,유도근,이호민 한국방재학회 2012 한국방재학회 학술발표대회논문집 Vol.11 No.-

상수관망의 노후화에 따라 관파괴와 같은 상수관망의 용수공급 성능을 저하시키는 사고가 자주 발생하게 된다. 이때 파괴부분의 수리나 유지보수를 위해서 물의 흐름을 차단해야 하며 이를 위해서 제수밸브를 차폐하게 된다. 제수밸브는 상수관망 전체에 넓게 분포하고 있으며 설치개수도 관망의 크기에 따라 만개 이상이 설치되어 있다. 이러한 이유로 제수밸브의 유지보수에는 많은 시간과 노력이 필요하다. 제한된 인력과 비용으로 최대의 효과를 얻기 위해서는 제수밸브의 중요도를 평가, 등급화 한 후 중요한 제수밸브들을 우선적으로 관리하는 것이 효율적이다. 본 연구에서는 제수밸브의 중요도 등급을 결정하는 기법을 다수의 실제 상수관망에 적용하여 제수밸브별 상대적 중요도를 산정하고 산정된 결과를 분석하여 실제 상수관망에서 제수밸브 중요도의 특성을 파악하고자 하였다. 상수관의 관파괴에 의한 단수의 피해는 단수인구로 정량화하였으며 이를 위해서 segment 및 unintended isolation을 전체 상수관망을 대상으로 결정하였다. 이를 바탕으로 제수밸브의 중요도는 VII(Valve Importance Index)로 정량화 되었다. 적용된 실제 상수관망은 국내 10개 중블록, 국외 3개 관망이다. 제수밸브의 중요도 특성 파악결과, 배수지에 가까운 제수밸브와 같이 명백하게 중요한 밸브 이외에도 관망의 중앙부분에 위치한 제수밸브도 중요한 경우가 많았으며 관망의 구조적인 연결성에도 많은 영향을 받고 있음을 확인하였다.

Development of the Non-revenue Water Analysis Equation through the Statistical Analysis of Main Parameter in Waterworks System in Incheon City

Hyoung Geun Jo,Gye Woon Choi,Dong Woo Jang 위기관리 이론과 실천 2016 Crisisonomy Vol.12 No.11

상수관망정비사업의 우선순위에 대한 의사결정시 누수에 영향을 미치는 인자를 조사⋅분석하여 수량, 수압, 수질 요소는 물론 시설개량비용, 에너지비용, 유지관리비용 등의 경제성요소를 고려한 과학적이고 체계적인 접근방법이 필요하다. 본 연구에서는 인천시 배수관망을 중심으로 상수도관망에서 누수에 영향을 미치는 인자를 조사하고, 가장 상관성이 높은 인자를 산정하기 위하여 통계분석을수행하였다. 이를 위해 소블록 별 관로노후도, 배수관연장, 관경, 급수전수, 급수량, 누수발생 횟수, 용도지역, 관망구성 형태 등을 조사⋅분석하였으며 급수에너지 개념을 도입하고, 상수관망 해석결과를 활용하여 에너지 비를 산출하였다. 상수관망 해석을 위한 물리적, 운영적인자를 선정하여 무수율을 종속변수로 하고, 상수관망 내 관로노후도, 급수에너지비, 급수전당 공급량을 독립변수로 하는 무수율 다중회귀식을 도출하였다. 향후 지역적인 상수관망의 특성과 수요패턴을 고려하여 무수율공식을 산출한다면 정확도를 향상하는 데 기여할 수 있을 것으로 판단되었다. In deciding priorities for waterworks maintenance, a scientific and systematic approach would be needed to examine and analyze the main parameters affecting the leakage, along with water demand quantity, water pressure, energy costs, and so forth. In this study, a statistical analysis was performed to estimate the physical parameters in waterworks maintenance with the highest correlation with the leakage. For this purpose, water distribution analysis was performed to assess the demand energy ratio. The formula of non-revenue water estimation consists of independent variables related with physical parameters for waterworks. Deterioration rate of pipes, demand energy ratio and water supply quantity at each demand point were used in a multiple regression equation for water distribution network analysis. If regional characteristics of distribution network and demand patterns are considered in developed formula, the estimated accuracy for calculating the non-revenue water rate will be improved.

GIS와 EPANET 상수관망모델의 연계 방안 연구

최성규(Seong Kyu Choi),안병찬(Byung Chan Ahn) 대한공간정보학회 2001 한국공간정보학회지 Vol.9 No.3

상수도공학 분야에서는 상수 관련 시설물을 효과적으로 관리하기 위하여 GIS 기법을 적용하는 연구가 활발히 진행되고 있다. 그러나, GIS로 관리되는 상수 관련 시설물과 관망의 수리 모델링의 연계는 상대적으로 미흡한 실정이다. 이러한 연속성의 부재로 인하여 GIS 데이터베이스와 상수관망모델의 연계 방안이 요구되고 있다. 본 연구의 목적은 GIS 데이터베이스인 Geodatabase와 USEPA의 상수관망 모델인 EPANET을 양방향으로 연계하여 링크ㆍ노드 피처 클래스를 GIS로부터 생성하고 상수관망모델의 입ㆍ출력 관계를 구현하는 것이다. 연구의 범위는 연구 동향 및 사례 분석, GIS를 이용한 링크ㆍ노드 생성, EPANET 모델링, GIS와 모델의 연계 등을 포함한다. 본 연구는 GIS를 이용한 전처리(상수관망모델 입력 자료 생성), EPANET 상수관망 모델링, GIS를 이용한 후처리(상수관망 모델링 결과 출력)의 절차로 수행되었다. 전처리 단계에서는 상수관로로부터 배수관을 추출한 후, 링크ㆍ노드 속성을 설정하고 용수 수요량을 배분하여 모델 입력 자료를 생성하였다. 그리고 EPANET 상수관망 모델링 단계에서는 프로그래머 툴킷을 이용하여 수리 해석을 수행하고 모델링 결과를 분석하였다. 마지막으로 후처리 단계에서는 모델 결과를 GIS 형태의 자료로 변환하고, 이를 그래프나 주제도 형태로 표현하였다. 본 연구에서 구현된 인터페이스는 상수 관리를 위한 기본적인 환경을 제공하기 때문에 상수 관련 정책 수립이나 의사 결정에 효과적으로 사용될 수 있을 것으로 기대된다.

상수관망 에너지 모의를 위한 정량화 분석기법 개발

최두용,김상현,김경필 한국수자원학회 2022 한국수자원학회논문집 Vol.55 No.-

Efforts for reducing greenhouse gas emission coping with climate change have also been performed in the field of water and wastewater works. In particular, the technical development for reducing energy has been applied in operating water distribution system. The reduction of energy in water distribution system can be achieved by reducing structural loss induced by topographic variation and operational loss induced by leakage and friction. However, both analytical and numerical approaches for analyzing energy budget of water distribution system has been challengeable because energy components are affected by the complex interaction of affecting factors. This research drew mathematical equations for 5 types of state (hypothetical, ideal, leak-included ideal, leak-excluded real, and real), which depend on the assumptions of topographic variation, leakage, and friction. Furthermore, the derived equations are schematically illustrated and applied into simple water network. The suggested method makes water utilities quantify, classify, and evaluate the energy of water distribution system. 기후변화에 대처하기 위한 온실가스 저감 노력은 상하수도 분야에서도 활발하게 진행되어 왔으며, 특히, 상수도 생산 및 공급과정에서 많은 에너지를 소비하는 상수관망의 에너지를 절감하기 위한 많은 기술개발이 이루어져왔다. 상수관망의 에너지 절감은 지형의 기복으로 발생되는 구조적 손실의 저감과 누수 및 마찰손실로 인한 운영 상 손실의 효율화를 통해 성취될 수 있음에도 실제 상수관망의 에너지 수지를 분석하는 단계에서 이들 인자들 상호간의 복합적 작용으로 인해 해석적인 접근뿐 아니라 수치모형을 이용한 모의에서도 한계를 노출하여 왔다. 본 연구에서는 지형의 기복, 누수 및 마찰손실의 유무에 따라 변화하는 유량, 압력수두 및 에너지를 5가지의 상수관망 상태(가설적 상태, 이상적 상태, 누수가 포함된 이상적 상태, 누수가 배제된 실제 상태, 실제 상태)에 대하여 수리 물리적 방정식을 도출하고, 이를 단순한 형태의 상수관망에 적용함으로서 에너지의 정량적 분석 및 분류, 각종 에너지 수지 구성요소별 분석과 이를 이용한 상수도 시스템의 에너지 진단이 가능하도록 하였다.

상수관망 시스템의 지진재해 위험도 산정 프로그램 개발

유도근,강두선,김중훈 한국방재학회 2014 한국방재학회 학술발표대회논문집 Vol.2014 No.-

최근 한국 근해 및 내륙에서 발생되는 지진의 횟수가 증가함에 따라 지진피해 가능성에 대한 우려가 증가되고 있으며, 지진재해가 발생하였을 경우 신속한 대책을 마련해야 한다는 필요성이 부각되고 있다. 그러나 대규모 사회기반 시설중의 하나인 상수관망 시스템의 경우, 국내 전체 503개소 중 현행 내진설계기준을 만족하는 곳이 전무(소방방재청, 2013)할 정도로 지진재해에 매우 취약하다. 상수도 시설의 경우 구조해석을 통한 개별 구조물의 내진성능평가 뿐 만 아니라, 물 공급가능성을 포함하는 수리학적 위험도(또는 신뢰도) 평가가 반드시 필요하다. 본 연구에서는 수리해석을 기반으로 한 상수관망 지진재해 위험도 산정 프로그램을 개발하였다. 이를 위해 과거 한반도에 발생한 지진자료를 활용하여 지진 발생시나리오를 구성하는 모듈을 구축하였다. 또한 지진 발생에 의해 나타나는 상수도 관망 구성요소(관로, 펌프, 배수지)의 피해 상태를 취약도 함수에 의해 결정하고, 이를 적절히 반영하여 수리해석 결과가 도출되도록 모형화하였다. 본 연구에서 개발된 프로그램을 실제 상수관망 시스템에 적용한 결과, 적용지역에 가까운 곳에서 발생한 과거 지진을 상정하였을 경우 나타난 신뢰도는 지진 재해에 의한 피해를 무시할 수 있는 수준은 아니었으며, 특히 설계 기준에 해당하는 큰 강도의 지진이 발생할 경우 상수관망 시스템의 전반적인 마비가 초래될 수 있음을 확인하였다. 따라서 본 모형은 상수관망의 설계와 사전보강을 위한 의사결정 수단으로 활용될 수 있을 것으로 판단된다.

Modified hybrid vision correction algorithm을 활용한 상수관망 최적설계

류용민,이의훈 한국수자원학회 2022 한국수자원학회논문집 Vol.55 No.-

The optimal design of Water Distribution System (WDS) is used in various ways according to the purpose set by the user. The optimal design of WDS has various purposes, such as minimizing costs and minimizing energy generated when manufacturing pipes. In this study, based on the Modified Hybrid Vision Correction Algorithm (MHVCA), a cost-optimal design was conducted for various WDSs. We also propose a new evaluation index, Best Rate (BR). BR is an evaluation index developed based on the K-mean Clustering Algorithm. Through BR, a comparison was made on the possibility of searching for the optimal design of each algorithm used in the optimal design of WDS. The results of MHVCA for WDS were compared with Vision Correction Algorithm (VCA) and Hybrid Vision Correction Algorithm (HVCA). MHVCA showed a lower cost design than VCA and HVCA. In addition, MHVCA showed better probability of lower cost designs than VCA and HVCA. MHVCA will be able to show good results when applied to the optimal design of WDS for various purposes as well as the optimal design of WDS for cost minimization applied in this study. 상수관망 최적설계는 사용자가 설정한 목적에 따라 다양하게 사용된다. 상수관망 최적설계는 비용의 최소화 및 관의 제작 시 발생하는 에너지 최소화 등 목적이 다양하게 존재한다. 본 연구에서는 Modified Hybrid Vision Correction Algorithm (MHVCA)을 기반으로 다양한 상수관망에 대한 비용 최적설계를 진행하였다. 또한 새로운 평가지표인 Best Rate (BR)를 제안하였다. BR은 K-mean Clustering Algorithm을 기반으로 개발된 평가지표이다. BR을 통해 상수관망 최적설계에 사용된 각 알고리즘의 최적 설계안 탐색 가능성에 대한 비교를 하였다. 다양한 관망에 대한 MHVCA의 최적설계 결과를 Vision Correction Algorithm (VCA) 및 Hybrid Vision Correction Algorithm (HVCA)과 비교하였다. MHVCA는 VCA 및 HVCA보다 낮은 비용의 설계안을 탐색하였다. 또한 MHVCA는 낮은 비용의 설계안을 탐색할 확률이 VCA 및 HVCA보다 높았다. MHVCA는 본 연구에서 적용한 비용 최소화를 위한 상수관망 최적설계 뿐만이 아닌 다양한 목적을 위한 상수관망 최적설계에 적용할 경우 좋은 결과를 나타낼 수 있을 것이다.

상수관망 시스템의 골격화 기법 평가

최정욱,강두선,Choi, Jeong Wook,Kang, Doosun 한국수자원학회 2015 한국수자원학회논문집 Vol.48 No.10

대규모 상수관망 시스템의 운영비용 절감을 위한 펌프장 운영 최적화 연구가 최근 활발히 진행되고 있다. 이러한 상수관망 시스템 운영 최적화에 대한 연구를 수행하기 위해서는 짧게는 24시간, 길게는 1주일 이상의 시간모의가 필수적이며, 최적화 알고리즘과의 연계를 통한 시뮬레이션이 요구된다. 대규모 상수관망의 경우 관로 및 절점의 수가 수 천 혹은 수 만개에 달해 수리해석 및 최적화에 많은 시간이 소요되며 실시간 운영을 목적으로 하는 경우 모형의 적용에 한계가 발생한다. 이처럼 모의시간에 대한 문제를 해결하기 위해서는 해당 상수관망 시스템의 수리 거동, 수질 해석 결과를 변화시키지 않는 범위에서 관망을 간소화 할 필요가 있다. 본 연구에서는 국내에서 실제로 운영되고 있는 송, 배수 시스템의 일부를 대상으로 시스템 간소화, 즉 골격화(Skeletonization) 연구를 진행하였으며, 모두 네 가지의 골격화 기법을 비교, 평가하였다. 본 연구에서 제안된 골격화 기법을 통해 대규모 상수관망의 해석에 소요되는 시간을 단축함으로써, 실제 상수관망의 실시간 운영 모듈 개발에 도움이 될 것으로 기대한다. Studies of optimizing pump operation in water distribution networks (WDN) are receiving spotlight in recent days. However, the water networks are quite complex including thousands of or even tens of thousands of nodes and pipes, thus simulation time is an issue. In some cases, implementing a computer model for pump operation decisions is restrictive due to intensive computation time. To that end, it is necessary to reduce the simulation time of water networks by simplifying the network layout. In this study, WDN skeletonization approaches were suggested and applied to a real water transmission network in South Korea. In skeletonizing the original network, it was constrained to match the water pressure and water age in the same junction locations to maintain the hydraulic and water quality characteristics in the skeletonized network. Using the skeletonization approaches suggested in this study, it is expected to reduce the simulation time of WDN and apply for developing a computer module of WDN real-time optimal operation.

공급부하 시나리오에 따른 상수관망 신뢰도 지수의 적용성 분석

정기문,강두선 한국수자원학회 2017 한국수자원학회논문집 Vol.50 No.7

상수관망 시스템은 다수의 이용자에게 용수를 공급하기 위한 사회기반시설물로써, 적절한 수압을 유지하고 안정적으로 용수를 공급할 수 있어 야 한다. 따라서 안정적인 설계와 효율적인 운영을 위해서는 상수관망 시스템의 용수 공급능력을 정량적으로 파악하는 것이 중요하다. 이러한 노력 의 일환으로 상수관망 시스템 내 에너지 거동을 통해 신뢰도를 정량화한 신뢰도 지수가 다양한 방법으로 개발되어 왔다. 대부분의 신뢰도 지수는 공통적으로 절점에서의 최소요구수두 및 초과수두의 형태로 공급된 에너지를 기반으로 산정되며, 일부 지수의 경우 상수관망에 공급된 총 에너지 또는 용수 공급과정에서 손실된 에너지를 추가적으로 고려하여 산정된다. 본 연구에서는 상수관망의 용수 공급 과정에 따른 에너지 구성 요소를 소 개하였으며 기존에 개발된 몇 가지 신뢰도 지수를 대상으로, 상수관망의 공급부하 상황을 고려한 시나리오 분석을 통해 신뢰도 지수의 적용성을 알 아보고자 하였다. 또한, 각 절점 별 지수값을 도시함으로써, 상수관망 내 신뢰도의 공간적 분포를 나타내어 분석함으로써 보다 확장된 시스템 신뢰 도 지수의 활용방안을 제시하였다. Water distribution networks (WDNs) supply drinking water to end users by maintaining sufficient water pressure for reliable water supply in normal and abnormal conditions. To design and operate WDNs in efficient way, it is required to quantify water supply ability of the network. Various reliability indices have been developed and applied in this field. Most of the reliability indices are calculated based on the energy within a network; that is, the total energy entered the network, the energy dissipated through water supply process, and the energy finally supplied at the nodes, etc. This study explains the energy composition in WDNs and introduces three well-known reliability indices developed based on the energy composition of the network. The three indices were applied to a study network under various demand loading scenarios that could occur in real-life operation practices. This study aimed to investigate the applicability of the reliability indices under abnormal scenarios and proposed to illustrate the spatial distribution of the system reliability in more intuitive way for proper responses to the abnormal situations.