[논문]상수관 파괴시 관망의 부분적 격리를 고려한 피해범위 산정

전환돈

doi:10.3741/jkwra.2006.39.2.089

상수관 파괴시 관망의 부분적 격리를 고려한 피해범위 산정
An evaluation of the pipe failure impact in a water distribution system considering subsystem isolation 원문보기

韓國水資源學會論文集 = Journal of Korea Water Resources Association, v.39 no.2 = no.163, 2006년, pp.89 - 98

초록
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기존의 상수관 파괴로 인한 피해 영역의 산정에서는 파괴된 관만을 피해영역으로 고려하였으나 이는 파괴된 관만이 차폐되었을 경우에만 정확하다 할 수 있다. 차폐에 이용되는 밸브의 배치에 따라 추가로 더 많은 관들이 파괴된 관과 함께 차폐가 될 수 있으며 Walski에 의하여 제안된 segment 개념으로 이러한 추가적인 관의 차폐를 고려할 수 있는 방법이 Jun에 의해서 개발되었다. 그러나, segment 개념으로 찾아질 수 있는 피해영역보다 더 많은 부분이 관 파괴의 영향을 받을 수 있으며, 이는 관들의 연결형상에 의한 차폐와 용수 수요지점에서 적정한 압력수두를 확보하지 못하여 발생하는 추가적인 피해에 기인한다 본 연구에서는 밸브의 위치에 따른 추가적인 피해영역과 함께 관들의 연결형상 그리고 압력수두에 따른 피해를 순차적으로 고려할 수 있는 방법을 제안하여 제안된 방법을 실제 상수관망에 적용하여 적용성을 검토한다 실제 상수관망에 적용한 결과 한 개의 상수관 파괴에 의한 피해 영역이 밸브위치와 용수노선의 설계에 따라 많은 지역에 피해를 발생시킬 수 있음을 보여 주고 있다. 따라서 본 연구에서 제안된 방법을 적용하여 산정된 상수관 파괴에 따른 피해영역이 현실을 정확히 반영함을 알 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

To evaluate the pipe failure impact, current methodologies consider only a broken pipe as the impacted area. However, these approaches are accurate if the broken pipe is the only area isolated from tile system. Depending on the number and locations of on-off valves, more pipes which are adjacent to a broken pipe may be isolated. Using the concept of Segment suggested by Walski, the methodology evaluating the pipe failure impact incorporated with on-off valve locations has been suggested by Jun. However, a segment cannot account for all possible pipe failure impacted areas since it does not consider additional failures, namely the network topological failure and the hydraulic pressure failure. For this reason, a methodology which can consider the network topology and hydraulic pressure limitation as well as on-off valve locations is suggested. The suggested methodology is applied to a real network to verify its applicability As results, it is found that a single pipe failure can affect huge areas depending on the configuration of on-off valves and the network topology. Thus, the applicability of the suggested methodology for evaluating the pipe failure impacts on a water distribution network is proved.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

Segment 개념은 WalskKlDOS&b)에 의해서 제안되었 으며, 실제적인 밸브와 상수관망의 부분적 격리를 분석 하기 위하여 제안되었다. Segment는 관의 파괴 시 파 괴된 관과 함께 밸브에 의해서 차폐되는 주변관의 집합 으로 정의 할 수 있으며 파괴된 관이 두 개의 밸브를 양 끝에 가지고 있는 경우 이 관은 하나의 segment로 정 의할 수 있다.
그러나, 상수관 파괴에 의한 피해 영역의 정확한 산정을 위해서는 전술된 두 개의 기준인 파괴된 한 개의 상수관과 압력수두 저하에 따른 피해 영역 외에 추가적인 기준의 도입이 필요하다. 본 연구에서는 WalskKleSaR)에 의해 제안된 segment의 개념을 적용한 피해영역산정 기준과 비의도적 구역고립 (unintended isolation) 개념을 적용한 피해영역산정 기 준과 같이 실제와 근접한 피해 영역산정 방법을 제안하였다. 각각의 기준에 따른 피해 정도는 상수관 파괴로 영향을 받게 되는 총 용수 수요자의 수로서 수량화 하였다.
그러나 이러한 방법은 실제 상수관 파괴시 밸브를 사용한 차폐를 고려하지 않았으 며 상수관의 추가적 차폐로 인한 상수관망의 segment 와 하류부 용수공급노선 단절에 의한 용수중단 영역인 비의도적 구역고립을 고려하지 못하였다. 이와 같은 문제점을 해결하고자 본 연구에서는 차단밸브의 수와 위치를 고려하여 실제적인 상수관 피해영역 산정기준을 제시하였으며 이는 다음과 같이 요약될 수 있다.

가설 설정

(1987)의 연구와 같이 각각의 상수관 을 차례로 파괴되었다고 가정하여 수리학적 모의를 실 시하였으며 수요지점에서 압력수두가 기준치보다 저하 되면 파괴로 가정된 관과 그 수요지점을 피해 영역으로 가정하였다. 이 때, 상수관의 운영조건을 정상조건 (normal condition) 과 비정상조건 (abnormal condition) 으로 구분하여 비정상 조건은 상수관망 구성요소의 파 괴나 고장 시에 발생한다고 가정하였다. Jowitt and Xu.

제안 방법

,e location matrix (B matrix) 및 val.,e deficiency matrix (C matrix)로 구성되는 matrix algoiithm을 개 발하였으며, 실제 관망에서 효율적으로 적용하였다.
1) 파괴된 관 뿐 아니라 상수관의 추가적 차폐로 인한 segment와 비의도적 구역고립을 고려하는 방법을 제안하였다
3) 체계적인 상수관 파괴 영역을 정의하였으며 (Figs. 5 and 6 참조) 각 파괴영역을 산정할 수 있는 방법을 제안하였다.
상수관망의 부분적인 차폐로 인하여 발생하는 수리 학적 조건을 고려하기 위해서는 차폐된 상수관들을 고려한 수리학적 모의가 필요하며, 본 연구에서는 미국 환경청에서 개발한 수리모형인 EPANET을 사용하여 수리학적 조건의 변화를 모의하였다. Segment와 비의 도적 구역고립을 산정하는 알고리즘을 Visual Basic으 로 구현한 후 EPANET ToolKit를 Visual Basic 프로 그램의 서브루틴으로 사용, 산정된 segment와 비의도 적 구역고립내의 상수관을 EPANET 입력화일에서 직접 제어하여 부분적 차폐가 야기한 새로운 수리학적 조건을 모의하였다. 부분적 차폐가 이루어진 상수관망의 수리모델링에서 중요한 것은 차폐된 부분을 반영하는 것으로 차폐는 밸브를 닫음으로 해서 이루어진다.
7에 나타난 것과 같이 90개의 노드와 104개의 관, 94개의 밸브 그리고 2개의 수원 (노드 7에 위치한 펌프와 노드 117 근처 에 위치한 탱크)으로 구성되어 있으며 관경의 분포는 12, 8, 6인치 관으로 구성되어 있고 총연장은 68, 192ft (20, 784m) 이다. 각 노드 및 관별 소비자의 수는 자료의 부족으로 각 노드에서 주어진 용수량 (base demand) 에 1인당 일물사용량 (capita per daily water con- sumption) 인 50 gallon per day를 사용하여 구하였다. 하지만 실제 상수관망의 경우 수용가 조사 결과가 있을 것이며, 이를 이용한다면 보다 정확한 소비자의 수를 파악할 수 있을 것이다.
본 연구에서는 WalskKleSaR)에 의해 제안된 segment의 개념을 적용한 피해영역산정 기준과 비의도적 구역고립 (unintended isolation) 개념을 적용한 피해영역산정 기 준과 같이 실제와 근접한 피해 영역산정 방법을 제안하였다. 각각의 기준에 따른 피해 정도는 상수관 파괴로 영향을 받게 되는 총 용수 수요자의 수로서 수량화 하였다.
본 연구에서는 상수관 파괴에 의한 피해영역 산정을 위해 4가지 기준을 적용하였으며, Fig. 1과 같이 20개의 관, 14개의 수요지점(절점2~15), 1개의 수원(절점 1) 및 17개의 밸브로 구성된 상수관망을 예로 각각의 기준 적용 예를 나타내었다.
본 연구에서는 상수관의 파괴에 의해 발생 가능한 피해 영역을 네 가지 기준에 의해 정의하였다. 이 중 파 괴된 관(기준 1)과 se師ent(기준 2)는 직접적인 피해 영역이므로 언제나 발생하지만, 비의도적 구역고립(기 준 3)과 수리학적인 피해 영역(기준 4)은 늘 발생하는 것이 아니다.
상수관 파괴에 의한 신뢰성 산정을 위한 개념으로 본 연구에서 제안된 segment에 의한 피해 영역 산정은 상 수관망 구성요소에 의한 신뢰성 산정에 해당하며, 압력 수두 저하에 의한 피해 영역 산정은 수리학적인 신뢰성 산정 해당하게 된다. 그러나, 상수관 파괴에 의한 피해 영역의 정확한 산정을 위해서는 전술된 두 개의 기준인 파괴된 한 개의 상수관과 압력수두 저하에 따른 피해 영역 외에 추가적인 기준의 도입이 필요하다.
상수관망의 부분적인 차폐로 인하여 발생하는 수리 학적 조건을 고려하기 위해서는 차폐된 상수관들을 고려한 수리학적 모의가 필요하며, 본 연구에서는 미국 환경청에서 개발한 수리모형인 EPANET을 사용하여 수리학적 조건의 변화를 모의하였다. Segment와 비의 도적 구역고립을 산정하는 알고리즘을 Visual Basic으 로 구현한 후 EPANET ToolKit를 Visual Basic 프로 그램의 서브루틴으로 사용, 산정된 segment와 비의도 적 구역고립내의 상수관을 EPANET 입력화일에서 직접 제어하여 부분적 차폐가 야기한 새로운 수리학적 조건을 모의하였다.
압력수두 저하로 인한 피해영역이 없으므로 압력저하 영역을 포함하는 조합 2와 조합 4에 의한 피해영역은 대상관망에 발생하지 않으며, 조합 1과 조합 3에 의한 대상관망의 피해영역을 산정해 보았다. 조합 3에 의한 피해영역 사용자분석 결과 최대 피해영역사용자를 발생 시키는 상위 5개의 segment를 Table 3에 나타내었다.
물론 이러한 부분은 segment나 비 의도적 구역고립에 포함되지 않으므로 물 공급은 계속 되나 일반 가정의 경우 용수 사용성이 떨어지거나 화재 진압 시에 실제적으로 용수의 사용이 불가능한 경우가 발생할 수 있다. 일반적으로 용수의 사용성은 압력수두 의 저하에 의한 영향이 상승에 의한 영향보다 현저히 크며, 본 연구에서는 압력수두 저하에 의한 영역을 고려한 피해영역을 산정하였다.

대상 데이터

제안된 기법의 적용성을 검토하기 위해 미국 코네티 컷주에 위치한 Cherry Hill 상수관망을 선정하여 제안 된 기법을 적용하였다. 대상관망은 Fig. 7에 나타난 것과 같이 90개의 노드와 104개의 관, 94개의 밸브 그리고 2개의 수원 (노드 7에 위치한 펌프와 노드 117 근처 에 위치한 탱크)으로 구성되어 있으며 관경의 분포는 12, 8, 6인치 관으로 구성되어 있고 총연장은 68, 192ft (20, 784m) 이다. 각 노드 및 관별 소비자의 수는 자료의 부족으로 각 노드에서 주어진 용수량 (base demand) 에 1인당 일물사용량 (capita per daily water con- sumption) 인 50 gallon per day를 사용하여 구하였다.
제안된 기법의 적용성을 검토하기 위해 미국 코네티 컷주에 위치한 Cherry Hill 상수관망을 선정하여 제안 된 기법을 적용하였다. 대상관망은 Fig.
피해영역 산정을 위해 요구되는 자료는 EPANET 입력 파일과 밸브의 위치자료(shape 파일, 도면이나 캐드 파일) 이며, 압력수두 저하로 인한 수리학적 피해 영역을 구하기 위한 압력수두 범위는 25psi~ 125psi를 적용하였다. 해당 압력수두의 범위는 대상 관망이 위치한 코네티 컷 주의 압력수두 권장 규약을 따라서 결정 되었다.

이론/모형

Segment S5내에는 3개의 절점(node 6, 7, 9)이 포함되어 있으며 이 절점들에 연결 모든 관들 을 삭제하여 Segment S5의 차폐를 고려한 수정된 adjacent matrix를 작성한다. 수정된 adjacent matrix에 Breadth-First search 알고리즘을 적용하여 최종적인S5의 비의도적 구역고립을 산정한다. 알고리즘은 수원 (水原)으로부터 시작하여 수원과 각 수요절점사이에 연 결노선을 찾아낸다.

성능/효과

2) 수리학적인 피해 영역인 압력수두가 저하되는 용수 지점을 구하기 위한 수리모델링에 단순히 파괴된 관뿐 아니라 segment와 비의도적 구역고립에 포함 된 관들을 반영하여 관 파괴 시 변화된 상수관망의 . 수리학적 모의를 현실에 가깝게 하여 구하였다
4) 실제 지역인 Cherry Hill 상수관망을 분석하여 제안된 방법의 적용성을 검증하였으며, 적용결과 특정 상수관이 파괴되면 많은 피해를 야기 시킬 수 있는 segment를 구할 수 있었으며 이러한 seg- ment를 집중 관리하여 관파괴가 일어나지 않도록 하는 효율적인 유지관리 계획 수립이 가능한 방법을 제시하였다. 따라서 본 연구에서 제시된 기법을 설계시 부터 적용하면 관망의 지속적인 유지관 리에 매우 유용할 것으로 사료된다.
만약 기존의 피해영역 산정 기법에 의한 다면 단지 파괴된 상수관 1개만 피해영역으로 산정되기 때문에 실제 나타나는 피해영역과의 차이는 크다고 할 수 있다. 따라서 실제 상수관망에서 상수관 파괴에 의한 피해 영역의 산 정시 제안된 방법을 사용하여 산정하는 것이 정확한 결과를 나타냄을 알 수 있다.
해당 압력수두의 범위는 대상 관망이 위치한 코네티 컷 주의 압력수두 권장 규약을 따라서 결정 되었다. 분석 결과 1皿개로 구성된 대상관망은 밸브가 1개 또는 전혀 없는 관이 존재하여 기개의 segment가 발생하였으며 만 약 모든 관에 두 개의 밸브가 설치되어 있으면 104개의 segment가 발생할 것이다. Table 2는 포함된 상수관의 수에 따른 대상관망의 segment 분포를 나타내고 있다.

후속연구

Table 1에 나타난 것과 같이 실제적인 피해 영역은 segment만 고려한 경우와 segment 및 비의도적 구역 고립을 동시에 고려한 경우 많은 차이를 나타내고 있다. 따라서 보다 정확한 상수관 파괴에 의한 피해 영역 산정을 위해서는 본 연구에서 제안한 바와 같이 segment와 비의도적 구역고립을 동시에 고려하여야 할 것으로 판단된다.
4) 실제 지역인 Cherry Hill 상수관망을 분석하여 제안된 방법의 적용성을 검증하였으며, 적용결과 특정 상수관이 파괴되면 많은 피해를 야기 시킬 수 있는 segment를 구할 수 있었으며 이러한 seg- ment를 집중 관리하여 관파괴가 일어나지 않도록 하는 효율적인 유지관리 계획 수립이 가능한 방법을 제시하였다. 따라서 본 연구에서 제시된 기법을 설계시 부터 적용하면 관망의 지속적인 유지관 리에 매우 유용할 것으로 사료된다.
이는 총 수요자 9, 339명의 약 38%에 해당한다. 따라서 이렇게 많은 영향을 미칠 수 있는 segment내의 관들을 효과적으로 관리하여 관파괴 확률을 줄이는 운영관리가 필요 하며 제안된 방법이 효율적인 운영관리 수립에 사용될 수 있을 것이다.
이들 11개의 segment는 저수지와 연결된 펌프 주위에 분포하는 segment로 이들 segment를 차폐하는 경우 용수수요량은 저하되고 손실수두가 감소하여 나타나는 현상으로 판단된다. 파괴 된 상수관을 수리하는 동안에 나타나는 현상이기는 하지만 이러한 과다한 압력수두는 설치된 관에 추가적인 내부하중을 가하게 되어 추가적인 관파괴를 야기할 수 있으므로 펌프의 양정고를 조절하는 등의 운영으로 과 다한 압력증가를 막아야 할 것으로 판단된다.
각 노드 및 관별 소비자의 수는 자료의 부족으로 각 노드에서 주어진 용수량 (base demand) 에 1인당 일물사용량 (capita per daily water con- sumption) 인 50 gallon per day를 사용하여 구하였다. 하지만 실제 상수관망의 경우 수용가 조사 결과가 있을 것이며, 이를 이용한다면 보다 정확한 소비자의 수를 파악할 수 있을 것이다. 만약 특정 관에 병원이나 학교 등 공공시설물이 연결되어 있는 경우 이를 환산하여 (equivalent customers) 사용할 수 있을 것이다.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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