[논문]다기준 의사결정기법을 이용한 대안평가지수 개발

정은성; 이길성; 박경신

doi:10.3741/jkwra.2008.41.1.087

다기준 의사결정기법을 이용한 대안평가지수 개발
Development of Alternative Evaluation Index Using Multicriteria Decision Making Techniques 원문보기

韓國水資源學會論文集 = Journal of Korea Water Resources Association, v.41 no.1, 2008년, pp.87 - 100

정은성 (서울대학교 공학연구소) , 이길성 (서울대학교 공과대학 건설환경공학부) , 박경신 (서울대학교 공과대학 건설환경공학부)

초록
AI-Helper

본 연구는 유역통합관리를 위한 대안들의 우선순위를 다양한 요소를 객관적으로 고려하여 산정하기 위해 대안평가지수(alternative evaluation index, AEI)를 개발하였고 이를 적용하였다. 이를 위해 물순환 건전화를 위한 다양한 대안들에 대한 연속유출 모의모형의 효과분석 결과, 다기준 의사결정 기법과 지속가능성 평가모형인 DPSIR(Drivers-Pressure-State-Impact-Response)을 이용하여 대안의 평가지수 및 순위를 산정하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

The alternative evaluation index (AEI) is developed and applied to determine the priorities of some options for integrated watershed management. Based on the results of continuous simulation model, AEIs of some feasible alternatives are calculated using multicriteria decision making techniques and s...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

DPSIR 모형은 EEA(1999)가 기존의 OECD(1993)의 Pressure-State-Response(PSR) 모형을 개선하여 지속가능성을 지표화하기 위해 개발하였다. PSR 모형은 인간의 활동(pressure)이 환경(state)에 영향을 미치고 환경은 다시 인간으로 하여금 압력을 줄이기 위한 활동(response)을 촉진하게 한다.
대부분의 연구에서 의사결정을 하는데 지속가능성 개념을 반영하여 평가기준을 사용하거나 다기준 의사결정기법을 사용하여 다양한 관리 목적을 동시에 반영하였지만 대안의 효과분석을 컴퓨터 시뮬레이션 모형을 사용하여 정량적으로 수행하고 다양한 의사결정기법을 사용하여 비교한 경우는 드물다. 본 연구는 이러한 점에 착안하여 물순환 건전화를 위한 대안들을 이수 및 수질관리 측면에서 객관적으로 비교하고 우선순위를 제시하기 위해 대안평가지수(Alternative Evaluation Index, AEI)를 개발하였다. 즉 대안별 이수, 수질관리 측면에서 효과지수를 산정하였고 산정방법은 다기준 의사결정기법 중 복합계획법, 타협계획법, ELECTRE II, Regime 방법, EVAMIX 접근법을 이용하였다.

가설 설정

2.2절에서와 같이 각각의 요소를 산정하는 수식 또한 다기준 의사결정방법마다 다르다. 따라서 가장 많이 사용되는 가중합계법의 이수 측면에서의 추진력(DR_2,n), 압력(PR_2,n), 상태(ST_2,n), 영향(IM_2,n), 반응(RE_2,n)에 대한 수식과 수질관리 측면에서의 추진력(DR_3,n), 압력(PR_3,n), 상태(ST_3,n), 영향(IM_3,n), 반응(RE_3,n)에 대한 수식을 제시하면 다음과 같다(DR_1,n, PR_1,n, ST_1,n, IM_1,n, RE_1,n은 치수 측면에서의 값임).
이러한 압력으로 인해 영향을 받는 자연상태 요소는 이수 측면에서 유황곡선에서 평균 갈수량과 평균 저수량의 목표 수문학적 갈수량에 대한 비율로 가정하였고, 수질관리 측면에서는 목표 수질 대비 BOD 평균 농도, 일최대허용부하량(Tota Maximum Daily Load, TMDL) 대비 BOD 평균 일총부하량으로 가정하였다. 물순환의 악화로 인해 인간에게 나타나는 직접적인 영향은 이수측면에서 연중 유지 유량 부족일수, 수질측면에서는 연중 TMDL을 만족하지 못하는 일수로 가정하였다. 이러한 영향을 회복하기 위해 국가, 사회, 관리부처 등에서 시도하는 여러 대안 들을 반응이라고 하며 반응으로 인한 효과를 정량화하기 위해 선택된 각각의 기준들은 정량적 분석이 가능한 상태와 영향의 인자들의 변화값을 사용하였다.
즉 물순환에 가장 많은 영향을 미치는 근본적인 요인(D)을 인구와 인구밀도로, 인간의 활동 중 물순환에 압력(P)을 미치는 요소로 이수 측면에서는 도시지역 비율과 하천수 누수 여부, 유역경사, 지하수 취수량을 사용하였으며 수질관리 측면에서는 BOD, COD, SS, TN, TP 부하량, 미처리 하수 유입여부, 복개구간 비율, 인구밀도를 산정하였다. 이러한 압력으로 인해 영향을 받는 자연상태 요소는 이수 측면에서 유황곡선에서 평균 갈수량과 평균 저수량의 목표 수문학적 갈수량에 대한 비율로 가정하였고, 수질관리 측면에서는 목표 수질 대비 BOD 평균 농도, 일최대허용부하량(Tota Maximum Daily Load, TMDL) 대비 BOD 평균 일총부하량으로 가정하였다. 물순환의 악화로 인해 인간에게 나타나는 직접적인 영향은 이수측면에서 연중 유지 유량 부족일수, 수질측면에서는 연중 TMDL을 만족하지 못하는 일수로 가정하였다.

제안 방법

1) 대안의 효과를 정량화하기 위해 다양한 관련 요소를 고려하여 AEI를 산정하였다. 기존 대부분의 계획수립 과정에서는 몇 가지의 유의한 대안들에 대해 단일 목적의 몇 가지 항목을 상대비교하거나 일정 목표를 달성하는 가를 확인하는 것이 대부분이었으나 본 연구에서는 많은 대안들을 몇 가지 목적에 대해 서로 비교하기 위해 평가지수를 산정 하는 방안을 제안하였다.
따라서 본 연구에서는 Step 2의 P에 대한 가중치의 1/2을 DR과 PR의 가중치로 사용하였고 Step 2의 S에 대한 가중치의 1/2를 ST와 IM의 가중치로 사용하였다. DR 과 PR의 하위 인자들에 대한 가중치는 Step 2의 가중치를 그대로 사용하였으며 ST, IM, RE의 인자들에 대한 가중치는 동일 가중치를 사용하였다. 사용된 가중치 값은 Table 2와 같다.
본 연구는 지속가능한 유역통합관리 계획 수립을 위한 10단계 중 Step 8에 해당되는데 이를 위해 필요한 Step 5-7의 결과도 함께 제시하였다. Step 5와 6을 통해 안양천 유역에 적합한 대안들이 기술적, 경제적, 환경적 가능성을 고려하여 선택되었으며 Step 7에서는 HSPF 모형을 이용하여 수량과 수질에 대한 효과분석이 이루어졌다. Step 8에서는 여러 다기준 의사결정기법과 지속가능성 평가모형인 DPSIR 모형을 이용하여 대안의 평가지수 및 순위를 산정하였다.
1) 대안의 효과를 정량화하기 위해 다양한 관련 요소를 고려하여 AEI를 산정하였다. 기존 대부분의 계획수립 과정에서는 몇 가지의 유의한 대안들에 대해 단일 목적의 몇 가지 항목을 상대비교하거나 일정 목표를 달성하는 가를 확인하는 것이 대부분이었으나 본 연구에서는 많은 대안들을 몇 가지 목적에 대해 서로 비교하기 위해 평가지수를 산정 하는 방안을 제안하였다. 특히 지속가능성 개념 모형인 DPSIR을 이용하여 유역 자체의 관리에 대한 수요, 상태를 위협하는 요소, 현재의 상태, 위협하는 요소들로 인한 영향, 대안의 효과를 모두 반영하도록 하였다.
특히 최근에 연구 중이거나 시행 중인 대안까지 감안하여 수립하는 것을 원칙으로 한다. 대상유역에 대해 이수 및 수질관리 측면에서 물순환 건전화를 위해 제시될 수 있는 대안 중 본 연구에서 사용한 HSPF(Hydrological Simulation Program-Fortran) 모형으로 분석이 가능한 대안인 저류지/저수지 건설, 기존 저수지 재개발, 지하철 용출수를 하천유지용수로 활용, 하수 처리장 방류수 재이용, 상류지역에 소규모 하수처리장 건설 등을 대상으로 대상유역에 대해 구체적인 적용 계획을 수립하면 Table 1과 같다.
Yurdusev and O'connell(2005a, b) 은 ENRES(ENvironmentally sensitive water RESources planning)라는 환경적으로 민감한 수자원계획 모형을 개발하여 이를 적용하였다. 대안의 선택을 위해 다기준 의사결정기법인 복합계획법을 사용하여 환경비용을 감안하여 평가를 수행하였다. Elshorbagy(2006)은 세 개의 다른 토지피복에 대해 일곱 개의 선정기준에 맞추어 Additive Value Function과 ELECTRE II 방법을 사용하여 평가우선순위를 산정하였다.
3단계의 의사결정 과정은 원인과 문제 등을 개념화하는 단계(conceptual phase), 평가를 위한 방법 및 판단기준을 설정하는 설계 단계(design phase), 다기준 의사결정을 수행하는 선택 단계(choice phase)로 구성되어 있는데 이는 각각 D, P, S, I와 관련된 인자를 산정하는 과정, R을 위해 대안 들을 선택하고 D, P, S, I와 관련된 판별기준과 가중치를 산정하는 과정, I와 R의 상호관계를 통한 선택 과정으로 구성된다. 따라서 mDSS는 D, P, S를 산정하는 부분과 대안을 제시하는 부분, 대안으로 인한 영향과 상태의 변화를 토대도 평가지수(evaluation index)를 산정하는 과정으로 구성하였다.
본래 DPSIR 모형이 PSR 모형을 보완하여 만든 모형이므로 PSR 모형의 P가 DR과 PR로 분리되었고 PSR 모형의 S가 ST와 IM으로 분리되었다. 따라서 본 연구에서는 Step 2의 P에 대한 가중치의 1/2을 DR과 PR의 가중치로 사용하였고 Step 2의 S에 대한 가중치의 1/2를 ST와 IM의 가중치로 사용하였다. DR 과 PR의 하위 인자들에 대한 가중치는 Step 2의 가중치를 그대로 사용하였으며 ST, IM, RE의 인자들에 대한 가중치는 동일 가중치를 사용하였다.
본 연구는 Step 8을 위한 구체적인 적용방법과 결과를 제시하였으며 이를 위해 Step 5, 6, 7의 결과도 함께 제시하였다.
본 연구는 지속가능한 유역통합관리 계획 수립을 위한 10단계 중 Step 8에 해당되는데 이를 위해 필요한 Step 5-7의 결과도 함께 제시하였다. Step 5와 6을 통해 안양천 유역에 적합한 대안들이 기술적, 경제적, 환경적 가능성을 고려하여 선택되었으며 Step 7에서는 HSPF 모형을 이용하여 수량과 수질에 대한 효과분석이 이루어졌다.
물순환의 악화로 인해 인간에게 나타나는 직접적인 영향은 이수측면에서 연중 유지 유량 부족일수, 수질측면에서는 연중 TMDL을 만족하지 못하는 일수로 가정하였다. 이러한 영향을 회복하기 위해 국가, 사회, 관리부처 등에서 시도하는 여러 대안 들을 반응이라고 하며 반응으로 인한 효과를 정량화하기 위해 선택된 각각의 기준들은 정량적 분석이 가능한 상태와 영향의 인자들의 변화값을 사용하였다. 여기서 반응의 효과를 정량화하기 위한 평가기준으로 D와 P를 사용하지 않는 이유는 D와 P 자체를 변화시키려는 대안을 설정하지 않는 한 직접적으로 이들과의 연관성을 규명하기 어렵기 때문이다.
3과 같이 산정하였다. 즉 물순환에 가장 많은 영향을 미치는 근본적인 요인(D)을 인구와 인구밀도로, 인간의 활동 중 물순환에 압력(P)을 미치는 요소로 이수 측면에서는 도시지역 비율과 하천수 누수 여부, 유역경사, 지하수 취수량을 사용하였으며 수질관리 측면에서는 BOD, COD, SS, TN, TP 부하량, 미처리 하수 유입여부, 복개구간 비율, 인구밀도를 산정하였다. 이러한 압력으로 인해 영향을 받는 자연상태 요소는 이수 측면에서 유황곡선에서 평균 갈수량과 평균 저수량의 목표 수문학적 갈수량에 대한 비율로 가정하였고, 수질관리 측면에서는 목표 수질 대비 BOD 평균 농도, 일최대허용부하량(Tota Maximum Daily Load, TMDL) 대비 BOD 평균 일총부하량으로 가정하였다.
기존 대부분의 계획수립 과정에서는 몇 가지의 유의한 대안들에 대해 단일 목적의 몇 가지 항목을 상대비교하거나 일정 목표를 달성하는 가를 확인하는 것이 대부분이었으나 본 연구에서는 많은 대안들을 몇 가지 목적에 대해 서로 비교하기 위해 평가지수를 산정 하는 방안을 제안하였다. 특히 지속가능성 개념 모형인 DPSIR을 이용하여 유역 자체의 관리에 대한 수요, 상태를 위협하는 요소, 현재의 상태, 위협하는 요소들로 인한 영향, 대안의 효과를 모두 반영하도록 하였다.

데이터처리

각각의 방법으로 도출된 대안 순위의 일관성을 살펴보기 위해 Spearman 상관계수(correlation coefficient)를 Table 8과 같이 산정하였다. 그 결과 타협계획법 b = 10인 경우가 낮은 상관계수(0.

이론/모형

2) 유역통합관리 계획수립 과정에서 특정 유역의 다양한 특성, 목적 등을 정량화하기 위해 다기준 의사결정기법을 사용한다. Step 8에서 대안들의 효과를 평가하기 위해 다양한 요소들을 고려하여 정량화하는데 자료의 특성과 목적에 따라 여러 다기준 의사결정기법들이 사용되었다.
AEI는 복합계획법, 타협계획법, ELECTRE II, Regime 방법, EVAMIX 접근법을 사용하였으며 각 방법을 통해 도출된 순위를 서로 비교하기 위해 Spearman 상관계수를 산정하였다. 여기서 사용된 이론은 정은성과 이길성(2007)에 제시되어 있다.
Step 5와 6을 통해 안양천 유역에 적합한 대안들이 기술적, 경제적, 환경적 가능성을 고려하여 선택되었으며 Step 7에서는 HSPF 모형을 이용하여 수량과 수질에 대한 효과분석이 이루어졌다. Step 8에서는 여러 다기준 의사결정기법과 지속가능성 평가모형인 DPSIR 모형을 이용하여 대안의 평가지수 및 순위를 산정하였다. 본 연구를 통해 도출된 사항은 다음과 같다.
(2004)은 물관리를 위한 시나리오에 대해 다음과 같은 객관적인 다기준 의사결정 평가 방법을 제안하였다: (1) 다년도 시스템의 운영모의, (2) 공급 신뢰성(reliability), 회복성(resiliency), 취약성(vulnerability)과 같은 지표를 이용 하여 시·공간적 시스템의 성능 연산, (3) 공정한 엔트로피 기반의 가중치, (4) 다기준 분석법을 이용한 시나리오의 최종순위 결정. 다기준 의사결정 기법은 TOPSIS(Hwang and Yoon, 1981)라는 이상점 거리 방법을 사용하였으며 이를 저수지 시스템의 운영에 적용하였다. Sánchez et al.
가 적용되는 유역의 목표유지유량 만족일수와 목표수질 만족일수, 목표 총일부하량 만족일수를 의미한다. 또 DPSIR 모형의 지속가능성 구성요소의 가중치 w_j,1～w_j,5는 정은성과 이길성(2007)에서 제시된 결과를 활용하였다. 본래 DPSIR 모형이 PSR 모형을 보완하여 만든 모형이므로 PSR 모형의 P가 DR과 PR로 분리되었고 PSR 모형의 S가 ST와 IM으로 분리되었다.
Step 6에서 제안한 대안들에 대한 효과분석은 연속유출모의 모형으로 수행되어야 한다(Stirrup, 2001). 본 연구에서는 HSPF 모형을 이용하여 수행한 정은성 등(2007)의 결과를 이용하였다. 지점별 유황곡선(flow duration curve), BOD 농도 및 부하량 지속곡선(duration curve) 등은 과거 10년(1996년 ～2005년) 동안에 대해 수행한 결과로 수량 측면에서 갈수량과 저수량의 변화와 수질측면에서 BOD의 평균농도와 일총부하량(Total Daily Load, TDL)의 변화 등이 제시되어있다.
(1988)은 수자원 개발에 대한 통합적인 환경적 평가를 위한 지침서와 적용방법을 제시하였다. 수자원 사업들은 근본적으로 사회과학적 측면과 환경적 측면을 모두 고려해야 하므로 다기준 의사결정기법의 하나인 복합계획법(composite programming; Bardossy and Bogardi, 1983)을 이용하여 다양한 측면의 효과를 모두 고려하여 정량적으로 비교검토가 가능하도록 하였다. Lee et al.
Step 8에서 대안들의 효과를 평가하기 위해 다양한 요소들을 고려하여 정량화하는데 자료의 특성과 목적에 따라 여러 다기준 의사결정기법들이 사용되었다. 이때 각각의 요소들에 대한 가중치도 다기준 의사결정 기법의 하나인 AHP 방법을 사용하였으며 자료의 가용성과 적용목적에 따라 여러 가지의 기법들(가중합계법, 복합계획법, 타협계획법, ELECTRE II, Regime 방법, EVAMIX 접근법)을 사용하였다. Spearman 상관계수를 이용하여 비교한 결과 비교적 다 기준 의사결정 기법에 상관없이 비슷한 결과를 보이므로 실무에서는 다양한 다기준 의사결정기법을 모두 사용하여 분석하기보다는 사용하기 편리한 방법을 여건에 맞게 선택하는 것이 좋다.
즉 대안별 이수, 수질관리 측면에서 효과지수를 산정하였고 산정방법은 다기준 의사결정기법 중 복합계획법, 타협계획법, ELECTRE II, Regime 방법, EVAMIX 접근법을 이용하였다. 이때 인자들은 지속가능성 평가지수 모형인 DPSIR(Driver-Pressure-State-Impact-Response) 모형을 이용하였다.
본 연구는 이러한 점에 착안하여 물순환 건전화를 위한 대안들을 이수 및 수질관리 측면에서 객관적으로 비교하고 우선순위를 제시하기 위해 대안평가지수(Alternative Evaluation Index, AEI)를 개발하였다. 즉 대안별 이수, 수질관리 측면에서 효과지수를 산정하였고 산정방법은 다기준 의사결정기법 중 복합계획법, 타협계획법, ELECTRE II, Regime 방법, EVAMIX 접근법을 이용하였다. 이때 인자들은 지속가능성 평가지수 모형인 DPSIR(Driver-Pressure-State-Impact-Response) 모형을 이용하였다.
추진과 압력 요소는 이길성(2007)에서 수집된 자료이며 상태와 영향은 이길성 등(2007)에서 HSPF 모형을 이용하여 얻어낸 자료를 Step 4에서 도출된 목표 유지 유량과 수질, TMDL과 비교한 값이고 반응은 정은성 등(2007)에서 HSPF 모형을 이용하여 분석한 값이다. Step 8을 위해 사용할 추진-압력-상태-영향-반응 요소의 자료를 이수 및 수질관리 측면에서 각각 정리하면 Table 3, 4와 같다.

성능/효과

적용결과 DPSIR의 모든 요소가 좋은 값을 보이는 도림천 유역(DR, BC, DB)에 적용 가능한 대안들인 S5+U4(1위), S4(2위), S5(3위), S4+U3(4위)이 높은 순위를 보였다. 대안의 종류별로 살펴보면 복개하천의 복원과 관련된 대안들이 평균적으로 좋은 순위를 보였으며, 그 다음으로 상류에 소규모 하수처리장을 건설하는 것이 수량과 수질 측면에서 그 다음으로 좋은 효과를 보이고 지하철 용출수 활용이 복개하천 복원과 함께 실행될 경우 좋은 효과를 보였다. 반면 저수지 재개발은 수질측면에서 전혀 효과가 없고 수량측면에서도 다른 대안에 비해 좋지 않은 효과를 보이므로 낮은 등급을 보였다.
그러나 이 대안은 비교적 저렴하게 실행할 수 있는 장점이 있으므로 나쁜 대안으로 볼 수는 없다. 또한 하수처리수 재이용과 관련된 대안들은 수량적인 측면에서는 탁월한 효과가 기대되나 수질 측면에서 상류지천의 농도를 높일 뿐만 아니라 오염총량 또한 크게 증가시키므로 좋지 않은 결과를 보였다.
적용결과 DPSIR의 모든 요소가 좋은 값을 보이는 도림천 유역(DR, BC, DB)에 적용 가능한 대안들인 S5+U4(1위), S4(2위), S5(3위), S4+U3(4위)이 높은 순위를 보였다. 대안의 종류별로 살펴보면 복개하천의 복원과 관련된 대안들이 평균적으로 좋은 순위를 보였으며, 그 다음으로 상류에 소규모 하수처리장을 건설하는 것이 수량과 수질 측면에서 그 다음으로 좋은 효과를 보이고 지하철 용출수 활용이 복개하천 복원과 함께 실행될 경우 좋은 효과를 보였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	DPSIR 모형은 무엇을 위해 개발되었는가?	DPSIR 모형은 EEA(1999)가 기존의 OECD(1993)의 Pressure-State-Response (PSR) 모형을 개선하여 지속가능성을 지표화하기 위해 개발하였다. PSR 모형은 인간의 활동(pressure)이 환경(state)에 영향을 미치고 환경은 다시 인간으로 하여금 압력을 줄이기 위한 활동 (response)을 촉진하게 한다.
	AEI를 산정하는 방법중 가장 많이 사용되는 방법은 무엇인가?	AEI를 산정하는 식은 다기준 의사결정기법의 종류에 따라 계산하는 방법이 다르다. 그 중 가장 많이 사용되는 가중합계법(weighted summation method)에 대한 수식을 나타내면 다음과 같다.
	PSR 모형의 특징은 무엇인가?	DPSIR 모형은 EEA(1999)가 기존의 OECD(1993)의 Pressure-State-Response (PSR) 모형을 개선하여 지속가능성을 지표화하기 위해 개발하였다. PSR 모형은 인간의 활동(pressure)이 환경(state)에 영향을 미치고 환경은 다시 인간으로 하여금 압력을 줄이기 위한 활동 (response)을 촉진하게 한다. PSR 모형은 복잡한 생태학적 과정과 인간 환경의 인과관계를 설명하지 못한다.

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Torno, H.C., Hartmann, L., Bogardi, I., Verhoog, F.H., and Higler, L.W.G. (1988). Trainning Guidance for the Integrated Environmental Evaluation of Water Resources Development Projects. Unep/Unesco Project FP/5201-85-01, Paris
Yurdusev, M.A., and O'Connel, P.E. (2005a). 'Environmentally-sensitive water resources planning: 1. Methodology.' Water Resources Management, Vol. 19, pp. 375-397

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Yurdusev, M.A., and O'Connel, P.E. (2005b). 'Environmentally-sensitive water resources planning: 2. A case study.' Water Resources Management, Vol. 19, pp. 399-421

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저자의 다른 논문 :

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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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