위험도를 고려한 최소비용 도시우수관망 설계의 최적화 모형개발 (II): 위험도를 고려한 최적화 모형 Development of Optimal Design Simulation Model for Least Cost Urban Sewer System Considering Risk (II)원문보기
본 연구는 도시 우수관망 설계 시 주어진 설계유량을 효율적이고 경제적인 단면 구성과 관망에 따른 우수배제 능력을 극대화시키기 위해 최적화 기법인 동적계획법(Dynamic Programming : DP)의 특수한 방법인 이산미분형 동적계획법(Discrete Differential Dynamic programming DDDP)를 이용해 최적화된 설계조건을 구할 수 있도록 하였다. 이산미분형 동적계획법의 기법은 설계유량과 맨홀의 위치가 결정되면 그에 따른 최적 우수시스템이 될 수 있는 관의 용량, 경사, 수위, 수심, 위험도, 회수비용 등을 결정할 수 있는 방법으로 이는 공사비용에 따를 최소비용을 목적함수로 위험도 분석을 통하여 최적화된 조건을 찾는 방법으로 모형개발을 하였다. 개발된 모형을 실제 단지계획의 합리식으로 설계된 우수관망 계획과 비교 검증하여 보다 경제적이고 효율적인 우수관망 시스템을 구축하는 모형을 제시하였다.
본 연구는 도시 우수관망 설계 시 주어진 설계유량을 효율적이고 경제적인 단면 구성과 관망에 따른 우수배제 능력을 극대화시키기 위해 최적화 기법인 동적계획법(Dynamic Programming : DP)의 특수한 방법인 이산미분형 동적계획법(Discrete Differential Dynamic programming DDDP)를 이용해 최적화된 설계조건을 구할 수 있도록 하였다. 이산미분형 동적계획법의 기법은 설계유량과 맨홀의 위치가 결정되면 그에 따른 최적 우수시스템이 될 수 있는 관의 용량, 경사, 수위, 수심, 위험도, 회수비용 등을 결정할 수 있는 방법으로 이는 공사비용에 따를 최소비용을 목적함수로 위험도 분석을 통하여 최적화된 조건을 찾는 방법으로 모형개발을 하였다. 개발된 모형을 실제 단지계획의 합리식으로 설계된 우수관망 계획과 비교 검증하여 보다 경제적이고 효율적인 우수관망 시스템을 구축하는 모형을 제시하였다.
Urban Storm Sewer Optimal Design Model(USSOD) was developed to compute pipe capacity, pipe slope, crown elevation, excavation depth, risk and return cost in the condition of design discharge. Rational formula is adopted for design discharge and Manning's formula is used for pipe capacity. Discrete d...
Urban Storm Sewer Optimal Design Model(USSOD) was developed to compute pipe capacity, pipe slope, crown elevation, excavation depth, risk and return cost in the condition of design discharge. Rational formula is adopted for design discharge and Manning's formula is used for pipe capacity. Discrete differential dynamic programming(DDDP) technique which is a kind of dynamic programming (DP) is used for optimization and first order second moment approximation method and uncertainty analysis is also for developing model. USSOD is applied to hypothetical drainage basin to test and verify. After testing the model, it is also applied to Ulsan drainage basin which was developed by Korea Land Cooperation(KOLAND). Comparing the design results of USSOD with those of KOLAND, discharge capacity 0.35 $m^3/sec$, the crown elevation is 0.77m higher and return cost is $9\%$ less than design results of KOLAND, which verify the improvement of USSOD. Layout design model using GIS and optimization including detention or retention effect are needed in the future study.
Urban Storm Sewer Optimal Design Model(USSOD) was developed to compute pipe capacity, pipe slope, crown elevation, excavation depth, risk and return cost in the condition of design discharge. Rational formula is adopted for design discharge and Manning's formula is used for pipe capacity. Discrete differential dynamic programming(DDDP) technique which is a kind of dynamic programming (DP) is used for optimization and first order second moment approximation method and uncertainty analysis is also for developing model. USSOD is applied to hypothetical drainage basin to test and verify. After testing the model, it is also applied to Ulsan drainage basin which was developed by Korea Land Cooperation(KOLAND). Comparing the design results of USSOD with those of KOLAND, discharge capacity 0.35 $m^3/sec$, the crown elevation is 0.77m higher and return cost is $9\%$ less than design results of KOLAND, which verify the improvement of USSOD. Layout design model using GIS and optimization including detention or retention effect are needed in the future study.
* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.
문제 정의
본 연구에서는 도시우수 배수시스템의 최적 설계를 위하여 기 개발된 첨두유량의 지체시간을 고려한 USSOD모형에 위험도 및 불확실성 분석 이론을 적용하여 각 요소의 위험도를 평가해 보고, 그에 따른 위험부 담비를 고려해서 가장 경제적인 우수관경, 경사, 수위, 설치에 따른 회수비용 등을 산정할 수 있는 모형을 개발하고자 하였다. 위험도를 고려한 USSOD모형은 공사 비용에 따른 최소비용을 목적함수로 한 위험도 분석을 통하여 최적화된 설계조건을 찾게 되며, 모형의 적용은 한국토지공사(1990)에서 단지 조성한 울산 화봉지구를 대상으로 하여 실제 단지계획에서 설계된 우수관망 계 획과 비교 검증하여 그 적합성을 평가하고자 하였다.
본 연구에서는 위험도를 고려한 최소비용의 도시 우수관망 최적 설계모형(USSOD)을 개발하였으며, 이의 적용 결과로부터 얻은 결론과 앞으로의 연구방향에 대하여 살펴보면 다음과 같다.
제안 방법
(1) 본 연구에서 개발한 모형은 위험도 해석을 포함한 도시 우수시스템의 최적설계모형으로써 맨홀 의 위치와 유입 유량만 결정되면 최적 설계 결과를 도출할 수 있는 모형이다.
본 연구에서는 울산 화봉지구의 실제 설계 결과인 Table 2와 본 연구의 최적 설계모형 USSOD모형의 적용 결과인 Table 3에 대하여 관로의 정점표고, 설계유량 및 관경, 회수비용 등의 주요 항목을 비교 분석하였다. 이때 Table 4와 같이 주 연결 관로와 분기 연결 관 로로 나누어 분석하였으며, 주 연결 관로는 유역 출구 지점인 1번 맨홀 위치에서 최원점인 10번 맨홀 위치까 지 연결되는 관로로서 1-2-3-4-5-6-7-8-9T0으로 연결되고, 분기 연결 관로는 16T5-14-13-5로 연결되는 관로를 택하였다.
본 연구에서는 위험도를 고려한 USSOD모형을 개발하기 위하여 선행연구에서 설명한 이산분리형 동적계획 법인 DDDP에 위험도 분석과정을 추가하여 실제 우수 시스템의 모형화로부터 설계유량과 맨홀의 위치가 결정 되면 각 우수관의 최소 회수비용에 따르는 관의 용량, 관경사, 관경, 수위, 수심, 정점표고, 위험도 등을 계산할 수 있도록 하였으며, 그 최적화 과정의 흐름도는 Fig. 4와 같다.
우수 유출계통은 지구 내외부에 위치하는 두부곡천, 상 방천, 진장천으로 방류되어 태화강으로 유출되며 이들 은 10개의 소유역으로 나누어 유출구를 계획하였다. 울산 화봉지구의 실제 설계에서 이용된 유역면적은 10.
본 연구에서는 도시우수 배수시스템의 최적 설계를 위하여 기 개발된 첨두유량의 지체시간을 고려한 USSOD모형에 위험도 및 불확실성 분석 이론을 적용하여 각 요소의 위험도를 평가해 보고, 그에 따른 위험부 담비를 고려해서 가장 경제적인 우수관경, 경사, 수위, 설치에 따른 회수비용 등을 산정할 수 있는 모형을 개발하고자 하였다. 위험도를 고려한 USSOD모형은 공사 비용에 따른 최소비용을 목적함수로 한 위험도 분석을 통하여 최적화된 설계조건을 찾게 되며, 모형의 적용은 한국토지공사(1990)에서 단지 조성한 울산 화봉지구를 대상으로 하여 실제 단지계획에서 설계된 우수관망 계 획과 비교 검증하여 그 적합성을 평가하고자 하였다.
본 연구에서는 울산 화봉지구의 실제 설계 결과인 Table 2와 본 연구의 최적 설계모형 USSOD모형의 적용 결과인 Table 3에 대하여 관로의 정점표고, 설계유량 및 관경, 회수비용 등의 주요 항목을 비교 분석하였다. 이때 Table 4와 같이 주 연결 관로와 분기 연결 관 로로 나누어 분석하였으며, 주 연결 관로는 유역 출구 지점인 1번 맨홀 위치에서 최원점인 10번 맨홀 위치까 지 연결되는 관로로서 1-2-3-4-5-6-7-8-9T0으로 연결되고, 분기 연결 관로는 16T5-14-13-5로 연결되는 관로를 택하였다.
그리고 프로그램에서 사용된 데이터 구조는 각 맨홀을 중심으로 구성되어 있으며, 각 맨홀에서는 표고, 유 입 설계유량, 맨홀간 거리를 가지고 있으며, 맨홀에는 다른 맨홀과의 연결 상태를 나타낼 수 있는 메모리 부 분을 갖는다. 이러한 우수시스템의 정보를 데이터 파일 에 기입하고, 이를 프로그램이 읽어서 컴퓨터 내의 메머리에 우수관망을 구성하고, 구성된 우수관망을 순차 적으로 스캔하면서 각 우수관로의 최적 설계조건을 찾 을 수 있도록 하였다.
대상 데이터
본 연구의 모형을 적용하기 위한 대상 유역은 Fig. 5 와 같이 한국토지공사에서 단지 조성을 시행한 울산화봉지구이며, 본 지구는 계획면적이 l, 064, 246rrf로서 주택상업 공공시설 용지로 구성되어 있고 우수배제방식으로는 우수관이 따로 존재하는 분류식으로 계획되었다.
화봉지구 적용 유역에서의 최소 관경은 0.45m를 사용하였으며 USSOD모형에서도 최소 관경을 0.45m로 사용하였다. 주 연결 관로 1단계에서 설계유량은 0.
이론/모형
본 연구의 선행연구에서는 도시 우수관망 설계 시 주어진 설계유량을 효율적이고 경제적인 단면 및 관망 구성에 의해 우수배제 능력을 극대화시키기 위하여 최적화 기법으로 동적계획법(Dynamic Programming : DP)의 특수한 방법인 이산분리형 동적계획법(Discrete Differential Dynamic Programming : DDDP) 를 이용해 공사비의 최소비용을 고려한 도시우수 배수시스템 최적 설계모형 (Urban Storm Sewer System Optimal Design Model : USSOD)을 개발하였다. 이때 USSOD모형는 첨두유량의 우수관내 흐름에 대한 지체시간의 고려여부에 따라 두 가지 모형으로 개발되었으며, 이들 모형을 시험유역에 적용하여 그 적합성을 평가한 결과 지체시간을 고려하여 첨두유량을 산정한 모형이 더 우수한 결과를 보였다.
이때 실제설계의 설계유량은 맨홀로 유입되는 첨두 홍수량의 우수관내 지체를 고려하지 않은 유량이고, USSOD모형는 지체시간을 고려한 설계유량이며, 각 경우의 관경은 Manning 공식을 이용하여 계산하였다.
이때 유입유량은 합리식을 이용하였으며, 우수의 유달시간은 Kerby공식을, 강우강도는 이원환공식을, 유출계수는 평균 0.6으로 적 용하였다.
성능/효과
(2) USSOD모형을 한국토지개발공사가 시행한 울산 화봉지구의 설계결과에 직접 적용해 본 결과, 위 험부담비를 고려한 실제 설계시의 회수비용이 USSOD모형의 최적 설계의 회수비용보다 약 9% 높게 나타났으며, 이는 최적설계모형인 USSOD 모형이 더 경제적인 설계결과를 도출한다고 판단된다.
(3) 모의결과 설계유량과 상용우수관 사용에서도 USSOD모형이 실제설계보다는 일부 적은 관경을 사용해도 무리가 없는 경우가 나타났으며, 이는 기존 설계방법보다 최적화된 설계 결과를 도출할 수 있었다고 판단된다. 또한 굴착 깊이에 관련되는 정점표고는 최대 0.
물론 두 경우의 관유량 차이는 각각의 관 경사 차이에서 연유한다. 또한 설계유량과 관유량의 비가 안전률이므로 관용량이 커질수록 안전율은 커지며 상대적으로 위험도는 적어진다.
본 연구의 선행연구에서는 도시 우수관망 설계 시 주어진 설계유량을 효율적이고 경제적인 단면 및 관망 구성에 의해 우수배제 능력을 극대화시키기 위하여 최적화 기법으로 동적계획법(Dynamic Programming : DP)의 특수한 방법인 이산분리형 동적계획법(Discrete Differential Dynamic Programming : DDDP) 를 이용해 공사비의 최소비용을 고려한 도시우수 배수시스템 최적 설계모형 (Urban Storm Sewer System Optimal Design Model : USSOD)을 개발하였다. 이때 USSOD모형는 첨두유량의 우수관내 흐름에 대한 지체시간의 고려여부에 따라 두 가지 모형으로 개발되었으며, 이들 모형을 시험유역에 적용하여 그 적합성을 평가한 결과 지체시간을 고려하여 첨두유량을 산정한 모형이 더 우수한 결과를 보였다.
여기서 13단계는 유출상태가 5번 맨홀로 연결되고, 이는 주 연결 관로의 14단계로 연결되어지는 지점이다. 이와 같이 관로의 정점표고를 살펴보면 전반적으로 USSOD모형의 결과가 실제 설계보다 경제적인 최적 설계를 이룬다고 할 수 있다.
7과 같고, 이 결과는 굴착깊이를 결정짓는 항목으로 최적화의 값에 영향을 미친다고 할 수 있다. 적용 결과 먼저 주 연 결 관로에서 1단계, 2단계에서는 표고 차이가 0.03m 차이가 나며, 3단계에서는 0.48m로서 실제 설계치의 굴착 깊이가 더 깊게 나타난다. 7단계에서는 0.
후속연구
(4) 향후 우수시스템의 연결망을 결정하는 layout design model 개발도 이루어져야 할 것이며 실무에서도 위험도를 고려한 설계 및 최적화 설계기법을 도입하여 설계의 신뢰도를 높일 수 있도록 해야 할 것으로 판단된다.
Ang, A.H.S., and Tang, W.H. (1975). 'Probability Concept in Engineering Planning and Design', Vol. I : Basic Principles, John Wiley & Sons, Inc., New York
Argaman, Y., Shamir, U., and Spivak, E. (1973). 'Design of Optimal Sewerage System', Jour. Env. Div., ASCE, Vol.99, No.EE5, pp.703-716
Barlow, J.F. (1972). 'Cost Optimization of Pipe Sewerage Systems', Proceedings, Institution of Civil Engineers(London), Vol.53, pt.2
Heidari, M (1970). A differential dynamic programming approach to water resources analysis, Ph.D. Thesis, Department of Civil Engineering, University of Illinois at Urbana-Campaign, Ill
Huang, K.Z. (1986). 'Reliability Analysis on Hydraulic Design of Open Channel', Stochastic and Risk Analysis in Hydraulic Eng. e.d. Yen, Water Resources Publication Littleton Colo., pp.60-68
Melching, M.B. (1987). A Reliability Analysis on Flood Event Forecasting with Uncertainties, Ph.D Thesis Dept. od Civil Engineering Univ. of Illinois
Merritt, L.B. (1973). 'Computer-Based Optimal Design of Sewer System', Jr. Env. Div., ASCE, Vol.99, No.EE1, pp.35-53
Tang, W.H., and Yen, B.C. (1972). 'Hydrology and Hydraulic Design under Uncertainties', Proceedings, International Symposium on Uncertainties in Hydrologic and Water Resources System, Vol.2, Tucson, Ariz., pp.868-882
Yen, B.C. (1970). 'Risk in Hydrologic Design of Engineering Projects', Jr. of the Hydraulic Div., ASCE, Vol.96, No.HY4, Proc. Paper 7229, pp.959- 966
Yen, B.C., and Ang, A.H.S. (1971), 'Risk Analysis in Design of Hydraulic Projects', Stochastic Hydraulic, University Pittsburgh, Pittsburgh, pp.694-709
Yen, B.C., Wenzel H.G., Mays, L.W., and Tang, W.H., 'Advanced Methodologies for Design of Storm Sewer System', WRC, Research Report No.112, University of Illinois
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.