상수관망의 노후관 교체시 신설관의 관경 결정은 상수관망의 장기적인 신뢰도 향상에 기여할 수 있는 중요한 문제이다. 그러나 대구경 관의 사용은 공사비 증가를 가져오기 때문에 적절한 관경의 결정을 위해서 대구경 관 사용에 따른 신뢰도 향상정도를 평가해야 한다. 본 연구에서는 상수관경의 변화가 상수관망의 신뢰도 향상에 미치는 영향을 평가할 수 있는 방법을 제안한다. 이를 위하여 Segment 기반의 Minimum Cutset 및 Success Mode Approach를 활용하여 상수관망의 신뢰도를 산정하였으며 신뢰도 향상을 위하여 교체해야 할 상수관과 관경을 유전자 알고리즘을 이용하여 최적해를 찾도록 하였다. 제안된 방법을 실제 상수관망에 적용한 결과 상수관을 기존의 설계와 다른 관경을 이용할 경우 비슷한 공사비로 좀 더 나은 신뢰도 향상을 가져왔다. 그러나 공사비의 증가율에 비하여 신뢰도 향상의 효과는 크지 않았다. 따라서 관경 변화 뿐 아니라 상수관망의 구조적인 보강이나 추가적인 밸브의 설치도 함께 해야 상수관망의 전체적인 신뢰도 향상이 효율적으로 이루어질 것으로 판단된다.
상수관망의 노후관 교체시 신설관의 관경 결정은 상수관망의 장기적인 신뢰도 향상에 기여할 수 있는 중요한 문제이다. 그러나 대구경 관의 사용은 공사비 증가를 가져오기 때문에 적절한 관경의 결정을 위해서 대구경 관 사용에 따른 신뢰도 향상정도를 평가해야 한다. 본 연구에서는 상수관경의 변화가 상수관망의 신뢰도 향상에 미치는 영향을 평가할 수 있는 방법을 제안한다. 이를 위하여 Segment 기반의 Minimum Cutset 및 Success Mode Approach를 활용하여 상수관망의 신뢰도를 산정하였으며 신뢰도 향상을 위하여 교체해야 할 상수관과 관경을 유전자 알고리즘을 이용하여 최적해를 찾도록 하였다. 제안된 방법을 실제 상수관망에 적용한 결과 상수관을 기존의 설계와 다른 관경을 이용할 경우 비슷한 공사비로 좀 더 나은 신뢰도 향상을 가져왔다. 그러나 공사비의 증가율에 비하여 신뢰도 향상의 효과는 크지 않았다. 따라서 관경 변화 뿐 아니라 상수관망의 구조적인 보강이나 추가적인 밸브의 설치도 함께 해야 상수관망의 전체적인 신뢰도 향상이 효율적으로 이루어질 것으로 판단된다.
When replacing deteriorated pipes, it is important to select pipe diameters of new pipes for improving the long-term reliability of a water distribution system. However, as the use of larger diameter pipes brings cost increase, it is required to evaluate the improvement of the reliability by the use...
When replacing deteriorated pipes, it is important to select pipe diameters of new pipes for improving the long-term reliability of a water distribution system. However, as the use of larger diameter pipes brings cost increase, it is required to evaluate the improvement of the reliability by the use of larger diameter pipes. In this study, we propose a methodology to evaluate the improvement of the reliability by the use of different pipe diameters. For this purpose, we rely on the segment-based minimum cutset method with the success mode approach to evaluate the reliability of a water distribution system and determine which pipes and their diameters will be replaced to improve the reliability using GA, After the suggested method is applied to a real water distribution system, the optimized pipe diameters produces higher reliability of the system than the current ones with the same construction cost. However, compared to the increase rate of the construction cost, the improvement of the reliability is not significant. Thus, in addition to the use the different pipe diameters, the structural modification or adding new valves to the system is necessary to improve the reliability efficiently.
When replacing deteriorated pipes, it is important to select pipe diameters of new pipes for improving the long-term reliability of a water distribution system. However, as the use of larger diameter pipes brings cost increase, it is required to evaluate the improvement of the reliability by the use of larger diameter pipes. In this study, we propose a methodology to evaluate the improvement of the reliability by the use of different pipe diameters. For this purpose, we rely on the segment-based minimum cutset method with the success mode approach to evaluate the reliability of a water distribution system and determine which pipes and their diameters will be replaced to improve the reliability using GA, After the suggested method is applied to a real water distribution system, the optimized pipe diameters produces higher reliability of the system than the current ones with the same construction cost. However, compared to the increase rate of the construction cost, the improvement of the reliability is not significant. Thus, in addition to the use the different pipe diameters, the structural modification or adding new valves to the system is necessary to improve the reliability efficiently.
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제안 방법
0 DLL이다. EPANET 2.0 DLL을 이용하여 주어진 관경의 조합에 따른 각 절점의 최소설계수압과 관별 유속을 만족하는 지를 검토한다. 최소설계수압은 상수도시설기준의 15 m를 적용하였으며 관별유속의 경우 0.
그러나 대구경 관의 설치는 공사비 증가를 가져오기 때문에 총사업비를 고려한 적절한 관경의 결정이 중요하다. 그러므로 본 연구에서는 관경 변경에 따른 상수관망의 신뢰도 향상 정도를 평가할 수 있는 방법을 제안하였으며, 실제 상수관망에 적용하여 관경의 변화에 따른 상수관망의 신뢰도 변화를 추정하였다. 또한 총사업비의 증가가 신뢰도 향상에 기여하는 정도를 평가하여 효율적인 상수관망 신뢰도 증대 방안을 제시하였다.
그러므로 본 연구에서는 관경 변경에 따른 상수관망의 신뢰도 향상 정도를 평가할 수 있는 방법을 제안하였으며, 실제 상수관망에 적용하여 관경의 변화에 따른 상수관망의 신뢰도 변화를 추정하였다. 또한 총사업비의 증가가 신뢰도 향상에 기여하는 정도를 평가하여 효율적인 상수관망 신뢰도 증대 방안을 제시하였다.
유전자 알고리즘을 이용한 관별 최적관경의 결정을 위하여 목적함수는 상수관망의 신뢰도를 최대로 하는 것으로 설정하였으며 제한조건인 공사비의 범위는 현재 상수관망의 건설비용으로 하였다. 즉, 최적화 과정에서 신뢰도를 증대시키기 위해서 모든 관을 최대관경으로 선택하는 것을 막기 위하여 이러한 제한조건을 도입하였다.
유전자 알고리즘을 이용한 관별 최적관경의 결정을 위하여 목적함수는 상수관망의 신뢰도를 최대로 하는 것으로 설정하였으며 제한조건인 공사비의 범위는 현재 상수관망의 건설비용으로 하였다. 즉, 최적화 과정에서 신뢰도를 증대시키기 위해서 모든 관을 최대관경으로 선택하는 것을 막기 위하여 이러한 제한조건을 도입하였다. 최적화 대상관경은 상업용 관경으로 한정하였고, 매세대의 개체수는 30, crossover rate은 0.
즉, 최적화 과정에서 신뢰도를 증대시키기 위해서 모든 관을 최대관경으로 선택하는 것을 막기 위하여 이러한 제한조건을 도입하였다. 최적화 대상관경은 상업용 관경으로 한정하였고, 매세대의 개체수는 30, crossover rate은 0.75, mutation rate은 0.01로 설정하였다. 상수관 설치를 위한 공사금액은 Su et al (1987)을 이용하여 산정하였고(Eq.
대상 데이터
적용대상 지역은 미국 Connecticut 주에 위치한 Cherry Hill 상수관망을 선정하였다. Cherry Hill 상수관망은 90개의 절점, 104개의 관(6, 8, 12 인치 3종 관경으로 구성), 94개의 제수밸브 등으로 구성되어 있다.
이론/모형
연구에서는 상수관망의 신뢰도 산정을 위해서 상수관의 다중파괴가능성을 고려할 수 있는 정상상태접근방법(success mode approach)을 이용하였다(전환돈 등, 2007). Eq.
개발된 모형은 크게 세개의 모듈로 구성된다. 첫 번째 모듈은 상수관망의 전체적인 신뢰도를 계산하기 위하여 전환돈 등(2007)이 제안한 segment 기반의 minimum cutset 과 success mode approach를 바탕으로 한 모델을 이용하였다. 두 번째 모듈은 유전자 알고리즘을 활용하여 주어진 사업비내에서 상수관망의 신뢰도를 최대로 할 수 있는 상수관의 관경 조합을 결정한다.
성능/효과
2) 최적화 결과 34개의 관을 좀 더 큰 관경으로 교체하였으며 이중 32개의 관이 minimum cutset에 포함된 사실로 볼 때 시스템의 신뢰도를 효율적으로 향상시키기 위해서는 minimum cut set에 포함되는 관을 위주로 관경변화 또는 내구성이 큰 관으로 교체함을 고려하여야 한다.
5는 공사비의 변화에 따른 신뢰도 변화를 보여준다. 공사비 증가에 따른 신뢰도 변화는 거의 선형적으로 증가하였으나 공사비의 증가율에 비하여 신뢰도의 증가율이 낮았다. 이것은 상수관망의 구조적인 개선없이 관경의 증가 또는 개개의 관을 좀 더 내구성이 큰 관으로 교체해서 달성할 수 있는 상수관망의 신뢰도 향상에는 한계가 있음을 보여준다.
1) 상수관의 교체나 새로운 상수관망을 설계할 경우 관경의 변화에 의해서 장기적인 상수관망의 신뢰도 향상을 이룰 수 있음으로 수리학적인 조건을 만족시킨 후 추가적인 분석을 통해서 시스템의 신뢰도를 향상시킬 방안을 강구할 필요가 있다. 이는 총공사비를 제한조건으로 한 최적화 결과 비슷한 공사비를 투입하여 좀 더 높은 신뢰도를 구현할 수 있었으며 추가 공사비 투입이 가능한 경우 더 높은 신뢰도 향상을 가져왔다.
3) 상수관망의 구조적인 개선 없이 각 구성요소의 내구성을 증대시키는 것만으로는 시스템 신뢰도를 향상시키는데 한계가 있었다. 즉, 최대 현공사비 대비로 35%의 공사비를 추가 투입하여도 신뢰도는 10%정도 증가하는데 그쳤다. 따라서 상수관망의 노선변경, Loop 화, 추가적인 제수밸브의 설치와 같은 구조적인 보강이 상수관망의 신뢰도 향상에 필요할 것으로 판단된다.
최적화 과정에서 총 103개의 상수관 중 33개는 관경이 감소했고 36개는 변하지 않았으며 34개는 증가했다. 103개의 관중에서 관경이 변화된 관의 예는 Table 3과 같다.
현 상수관망의 총 공사비용은 USD 1,224,942이며 최적화 수행 결과 공사비가 감소했음에도 불구하고 상수관망의 신뢰도는 약 1% 증가시킬 수 있었다(Table 2 참조). 산정된 상수관망의 신뢰도의 정확한 의미는 1년 동안 전체 상수관에서 모든 minimum cutset이 비정상 상태(예를 들면 관파괴)가 되지 않을 확률이다.
후속연구
1) 상수관의 교체나 새로운 상수관망을 설계할 경우 관경의 변화에 의해서 장기적인 상수관망의 신뢰도 향상을 이룰 수 있음으로 수리학적인 조건을 만족시킨 후 추가적인 분석을 통해서 시스템의 신뢰도를 향상시킬 방안을 강구할 필요가 있다. 이는 총공사비를 제한조건으로 한 최적화 결과 비슷한 공사비를 투입하여 좀 더 높은 신뢰도를 구현할 수 있었으며 추가 공사비 투입이 가능한 경우 더 높은 신뢰도 향상을 가져왔다.
3) 상수관망의 구조적인 개선 없이 각 구성요소의 내구성을 증대시키는 것만으로는 시스템 신뢰도를 향상시키는데 한계가 있었다. 즉, 최대 현공사비 대비로 35%의 공사비를 추가 투입하여도 신뢰도는 10%정도 증가하는데 그쳤다.
따라서 Table 2의 산정된 수치가 의미하는 바는 동일한 조건일 경우 관경의 변화에 따른 전체 상수관망의 신뢰도의 상대적인 수치변화이다. 관 매설 후 파괴확률의 변화를 장기간에 걸쳐서 시간에 따른 함수로 나타내고 이를 매년의 전체 상수관망의 신뢰도 산정에 이용한다면 시간의 흐름을 고려한 관경변화가 전체 상수관망의 신뢰도 향상에 미치는 영향을 좀 더 정확히 나타낼 수 있을 것으로 사료되며 추후 연구과제가 될 것이다.
즉, 최대 현공사비 대비로 35%의 공사비를 추가 투입하여도 신뢰도는 10%정도 증가하는데 그쳤다. 따라서 상수관망의 노선변경, Loop 화, 추가적인 제수밸브의 설치와 같은 구조적인 보강이 상수관망의 신뢰도 향상에 필요할 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
상수관망이란 무엇입니까?
상수관망(Water Distribution System)은 상수도 공급사업을 위한 사회기반시설물 중의 하나로서 정수를 수송, 분배, 공급하는 기능을 가지며 상수관, 펌프 및 밸브 등이 조합된 매우 복잡한 네트워크 시스템이다. 통계청의 자료에 따르면 2005년 기준 전국의 총 수도관의 연장은 약 129,844 km이며 이 중 배수관은 63,929 km로서 전체 관로의 49.
Mays(1996)은 시스템의 신뢰도를 크게 기계적인 신뢰도와 수리학적인 신뢰도로 구분하였는데 각각은 무엇입니까?
Mays(1996)는 시스템의 신뢰도를 크게 기계적인 신뢰도와 수리학적인 신뢰도로 구분하였다. 여기서 기계적인 신뢰도는 시스템내의 구성요소의 빈번한 수리나 구성요소의 교체 없이 지속적으로 장기간 용수공급을 지원할 수 있는 시스템의 능력을 나타내며, 수리학적인 신뢰도는 용수 소비자들에게 적절한 수압으로 충분한 물을 공급할 수 있는 시스템의 능력을 의미한다. 또한 Goulter(1986)는 상수관망의 비정상 상태를 야기하는 파괴를 크게 Mechanical failure와 Performance failure로 구분하였다.
Performance failure란 무엇을 의미합니까?
또한 Goulter(1986)는 상수관망의 비정상 상태를 야기하는 파괴를 크게 Mechanical failure와 Performance failure로 구분하였다. Mechanical failure는 구성요소의 직접적인 파괴를 의미하며, Performance failure는 구성요소 기능 저하로 인한 압력수두 저하 같은 상태를 야기하는 것을 의미한다. 즉 신뢰도라는 것은 시스템이 이러한 파괴를 유발하지 않을 확률 또는 정상상태를 유지할 확률로 정의할 수 있다.
참고문헌 (11)
전환돈, 박재일, 백천우, 김중훈 (2007). '상수관망의 신뢰도 산정을 위한 Segment 기반의 Minimum Cutset방법' 한국수자원학회논문집, 한국수자원학회, 제40권, 제9호, pp. 745-742
Goulter, I.C and Coals, A.V.(1986). 'Quantitative Approaches to Reliability Assessment in Pipe Networks', Journal of Transportation Engieering, Vol. 112, No. 3, pp. 287-301
Jun, H.D. (2005). Strategic Valve Locations in a Water Distribution System. Ph.D. dissertation, Virginia Polytechnic and State University, VA, USA
Mays, L.W. (1996). 'Review of reliability analysis of water distribution systems.' Stochastic hydraulics '96, K. K. Tickle et al., eds., Balkema, Rotterdam, The Netherlands, pp. 53-62
Mays, L.W. (2006). 'Water Resources Sustainability', McGraw-Hill Professional, New York, NY
Su, Y.C., Mays, L.W., Duan, N. and Lansey, K.E. (1987). 'Reliability based optimization model for water distribution systems.' Journal of Hydraulic Engineering, ASCE, Vol. 114, No. 12, pp. 1539-1556
Tung, Y.K. (1985). 'Evaluation of Water Distribution Network Reliability', Hydraulics and Hydrology in the Small Computer Age 1985, ASCE, pp. 359-364
Wagner, J.M., Shamir, U., Marks, D.H. (1988). 'Water Distribution Reliability: Simulation Methods' Journal of Water Resources Planning and Management, Vol. 114, No. 3, pp. 276-294
Xu, C. and Goulter, I.C. (1998). 'Probability Model for Water Distribution Reliability' Journal of Water Resources Planning and Management, Vol. 124, No. 4, pp. 218-228
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