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[국내논문] 하수관망 내 모니터링 지점 선정 기법
Method to Determinate Monitoring Points in Sewer Networks 원문보기

한국방재학회논문집 = Journal of the Korean Society of Hazard Mitigation, v.11 no.3, 2011년, pp.229 - 235  

이정호 (한밭대학교 토목공학과) ,  전환돈 (서울과학기술대학교 건설공학부) ,  박무종 (한서대학교 토목공학과)

초록
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하수관거시스템(sewer system)의 효율적인 관리를 위해서는 관거 내의 유량, 수질, 불명수 및 CSOs (Combined Sewer Overflows) 등에 대한 지속적인 모니터링이 필요하며, 따라서 하수관망에서의 모니터링은 하천 방재 측면에서 매우 중요한 요소이다. 그런데, 하나의 유역 하수관거시스템에서 모든 지점에 대한 모니터링은 예산의 제약으로 인하여 불가능하다. 따라서 모니터링 지점들은 주어진 예산 내에서 최대의 효율적인 자료의 획득이 가능한 지점들로서 선정되어야 한다. 그럼에도 불구하고 모니터링 지점의 선정에 대한 명확한 기준 및 선정된 모니터링 지점에서 획득된 자료에 대한 정량화된 평가 방법에 관한 연구는 미흡한 실정이다. 본 연구에서는 이러한 문제점을 해결하고 수질 자료의 효율적인 모니터링을 위하여 하수관거시스템 내에서 수질 측정지점의 선정에 대하여 유전자알고리즘을 이용한 최적화 방법을 제시하였다. 제시된 수질측정지점 선정 모형은 엔트로피 방법을 이용하여 지점별 획득 자료에 대하여 정량적으로 평가하며, 수질측정지점의 선정에 따른 수집 자료에 대한 총 엔트로피의 최대화를 목적함수로 한다. 여기서 수집 자료들에 대한 엔트로피 평가는 자료의 변동 특성을 반영하며, 자료의 획득 가능한 범위를 의미한다. 이때 수질의 측정은 유량의 관측과 동일한 지점에서 이루어져야 하므로, 수질측정지점 선정에 대한 제약 조건은 주어진 예산에 따른 유량계 설치 가능 개수로서 이루어졌다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

In order to manage a sewer system effectively, flow conditions such as flux, water quality, Infiltration and Inflow (I/I), Combined Sewer Overflows (CSOs), etc need to be monitored on a regular base. Therefore, in sewer networks, a monitoring is so important to prevent the river disaster. Monitoring...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 따라서 위의 표 5의 최적화 방법에 의해 산정된 모든 지점에 수질측정망을 설치하면 하수관거시스템 내의 수질변동 특성을 가장 잘 모니터링 할 수 있겠지만, 실제 적용에 있어서 예산의 제약이 있기 때문에 사실상으로 이 지점들에 모두 설치하는 것은 불가능하다. 그러므로 본 연구에서는 실제 유역에서 예산의 제약을 두어 수질 모니터링 지점의 수가 제한되었을 경우를 가정하여 최적화 알고리즘을 통해 최적의 수질측정지점을 선정해 보았다.
  • 엔트로피 방법의 변량 중 하나인 총 엔트로피는 선택되는 모든 지점에 대해 정보교환의 과정에서의 총체적 정보의 양을 의미하고, 유역으로 보내지는 어떤 신호에 대한 불확실성의 감소정도를 의미한다. 따라서 기존의 엔트로피 연구들은 총 엔트로피가 최대가 되는 측정지점들의 조합을 찾고자 하는데 목적을 두었다. 방법론적으로 Al-Zahrani and Husain(1998)은 한계엔트로피가 큰 순서대로, 권상우와 유철상(2001)은 한 지점만 선택했을 때 총 엔트로피 값이 큰 순서대로 차례로 지점을 선택하여 전체지점에서 이와 같은 방법들로 지점을 선택했을 때의 총 엔트로피가 가장 큰 지점을 최대 엔트로피 지점으로 보았다.
  • 따라서 본 연구에서는 위의 문제들과 관련하여 수질측정지점의 선정 시, 엔트로피 방법을 적용하여 우수관망 내 최적 수질측정지점의 선정에 대하여 정량적인 평가를 함과 동시에 예산제약으로 인하여 수질측정지점의 수가 제한될 경우, 제한된 지점들에서 최대의 효율적인 자료수집이 가능한 최적화된 수질 측정지점을 선정할 수 있는 최적화 방법을 제안하였다.
  • 본 연구는 엔트로피 방법을 이용하여 하수관망 내 수질변동 특성을 가장 잘 반영하는 모니터링 지점 선정에 있어서 정량화된 하나의 방법론을 수립하였다. 엔트로피 방법을 이용한 모니터링 지점 선정에 있어서 기존의 두 가지 방법, 즉 한계엔트로피가 큰 순서대로 순차적으로 결합하여 산정하는 방법과 각 지점 별 총 엔트로피가 큰 순서대로 순차적으로 결합하여 산정하는 방법에 대하여 본 연구에서는 최적해의 탐색을 통한 최대 효율의 모니터링 지점 조합을 선정할 수 있는 방법을 제시하였다.
  • 본 연구에서는 하수관망에서의 수질측정망을 선정함에 있어, 엔트로피 방법을 적용하여 선택된 지점들의 조합에 따른 수질측정망이 하수관거시스템의 수질변동 특성을 가장 잘 반영하는 최적의 조합을 찾고자 하였다. 즉, 최대의 총 엔트로피를 갖는 지점이자 시스템 내의 수질의 변동성에 대한 최대의 정보를 얻을 수 있는 지점들의 조합을 찾는 것이다.
  • 본 연구는 엔트로피 방법을 이용하여 하수관망 내 수질변동 특성을 가장 잘 반영하는 모니터링 지점 선정에 있어서 정량화된 하나의 방법론을 수립하였다. 엔트로피 방법을 이용한 모니터링 지점 선정에 있어서 기존의 두 가지 방법, 즉 한계엔트로피가 큰 순서대로 순차적으로 결합하여 산정하는 방법과 각 지점 별 총 엔트로피가 큰 순서대로 순차적으로 결합하여 산정하는 방법에 대하여 본 연구에서는 최적해의 탐색을 통한 최대 효율의 모니터링 지점 조합을 선정할 수 있는 방법을 제시하였다. 이를 통하여 최대 총 엔트로피 값과 그때의 산정된 지점의 수를 통해 비용대비 효율로 고려하였을 때 최적해 탐색모형이 가장 효과적인 것으로 나타났으며, 이를 통해 우수관망 내 수질측정지점을 선정할 수 있는 정량화된 평가기준을 제시하였다.
  • 특히, 불명수는 유량과 수질의 측정치를 통하여 간접적으로 산정되어지며, CSOs의 경우 강우 초기 하천으로의 월류수가 포함하고 있는 비점오염원으로부터의 오염 정도를 파악하는 것이 중요한 만큼 유량과 수질의 모니터링은 하수관거의 유지관리 및 하천 환경오염 방재를 위하여 매우 중요하다. 하지만 아직까지 하수관망에서의 수질 모니터링 지점의 선정에 대한 정량화된 기준이 제시되지 않고 있으며, 본 연구는 이러한 측면에서 정량화된 하수관망 모니터링 지점 선정에 관한 새로운 기법을 제안하고자 한다.

가설 설정

  • 실제유역의 경우 일반적인 하수관거정비사업을 토대로 계측기기의 설치에 대한 예산상의 제약이 주어졌다고 가정하여 해당 유역의 경우 최대 선정 가능한 모니터링 지점을 7개로 가정하였다. 이것은 최대의 엔트로피를 위한 총 41개 모니터링 지점들에 대하여 관측망을 설치하는 것은 실제 사업 시행시 불가능하므로 본 연구에서는 예산상의 제약이 있다고 가정하여 모니터링 지점 수를 임의로 제한 것이다.
  • 실제유역의 경우 일반적인 하수관거정비사업을 토대로 계측기기의 설치에 대한 예산상의 제약이 주어졌다고 가정하여 해당 유역의 경우 최대 선정 가능한 모니터링 지점을 7개로 가정하였다. 이것은 최대의 엔트로피를 위한 총 41개 모니터링 지점들에 대하여 관측망을 설치하는 것은 실제 사업 시행시 불가능하므로 본 연구에서는 예산상의 제약이 있다고 가정하여 모니터링 지점 수를 임의로 제한 것이다. 따라서 본 연구에서는 사업 시행 시 제한된 모니터링 지점 수에 대하여 최대의 엔트로피가 산정되는 최적의 지점 조합을 선정하게 된다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
유역 하수관거시스템에서 모든 지점에 대한 모니터링이 불가능하므로 모니터링 지점들은 어떻게 선정되어야 하는가? 그런데, 하나의 유역 하수관거시스템에서 모든 지점에 대한 모니터링은 예산의 제약으로 인하여 불가능하다. 따라서 모니터링 지점들은 주어진 예산 내에서 최대의 효율적인 자료의 획득이 가능한 지점들로서 선정되어야 한다. 그럼에도 불구하고 모니터링 지점의 선정에 대한 명확한 기준 및 선정된 모니터링 지점에서 획득된 자료에 대한 정량화된 평가 방법에 관한 연구는 미흡한 실정이다.
하수관거시스템의 효율적인 관리를 위해서는 무엇이 필요한가? 하수관거시스템(sewer system)의 효율적인 관리를 위해서는 관거 내의 유량, 수질, 불명수 및 CSOs (Combined Sewer Overflows) 등에 대한 지속적인 모니터링이 필요하며, 따라서 하수관망에서의 모니터링은 하천 방재 측면에서 매우 중요한 요소이다. 그런데, 하나의 유역 하수관거시스템에서 모든 지점에 대한 모니터링은 예산의 제약으로 인하여 불가능하다.
하나의 유역 하수관거시스템에서 모든 지점에 대한 모니터링은 왜 불가능한가? 하수관거시스템(sewer system)의 효율적인 관리를 위해서는 관거 내의 유량, 수질, 불명수 및 CSOs (Combined Sewer Overflows) 등에 대한 지속적인 모니터링이 필요하며, 따라서 하수관망에서의 모니터링은 하천 방재 측면에서 매우 중요한 요소이다. 그런데, 하나의 유역 하수관거시스템에서 모든 지점에 대한 모니터링은 예산의 제약으로 인하여 불가능하다. 따라서 모니터링 지점들은 주어진 예산 내에서 최대의 효율적인 자료의 획득이 가능한 지점들로서 선정되어야 한다.
질의응답 정보가 도움이 되었나요?

참고문헌 (14)

  1. 권상우, 유철상 (2001) 엔트로피 방법을 이용한 수질측정망의 평 가, 대한토목학회 논문집, 제21권, 제5-B호, pp. 501-509. 

  2. 박수영, 왕수균, 최정현, 박석순 (2007) 유전자 알고리즘을 이용한 낙동강 유역의 수질 측정망 설계에 관한 연구, 한국물환경학회지, 제23권, 제5호, pp. 697-704. 

  3. 오경두 (1989), 수질측정망 최적설계기법에 관하여-미워싱턴주의 수질측정망 설계기법을 중심으로, 한국수문학회지, 제22권, 제4호, pp. 354-361. 

  4. 왕수균, 나은혜, 박석순 (2005), 한강수계 수질측정망 개선을 위한 목적 지향 설계 방안에 관한 연구, 대한환경공학회지, 제27권, 제5호, pp. 453-460. 

  5. 한상욱, Paul H M Guo (1988) 수질측정망에 있어서 고려하여 야 할 요소에 대한 고찰, 한국물환경학회지, 제4권, 제1호, pp. 37-44. 

  6. 환경부 (2000) 수질측정망 운영계획, 환경부. 

  7. Al-Zahrani, M. and Husain, T. (1998) An algorithm for designing a precipitation network in the south-western region of Saudi AraAl-Zahrani, M. and Husain, T. (1998) An algorithm for designing a precipitation network in the south-western region of Saudi Arabia, Journal of Hydrology, Vol. 205, Issues. 3-4, pp. 205-216. 

  8. Amorocho, J. and Espildora, B. (1973) Entropy in the assessment of uncertainty in hydrologic systems and models, Water Resources Research, Vol. 9, Issue. 6, pp. 1511-1522. 

  9. Chapman, T.G. (1986) Entropy as a measure of hydrologic data uncertainty and model performance, Journal of Hydrology JHYDA7, Vol. 86, No. 1/2, pp. 111-126. 

  10. Harmancioglu, N.B. and Alpaslan, N. (1992) Water quality monitoring network design: A problem of multi objective decision making. Water Resources Bulletin, Vol. 28, No. 1, pp. 179-192. 

  11. Husain, T. (1989) Hydrologic uncertainty measure and network design, Journal of the American Water Resources Association, Vol. 25, Issue. 3, pp. 527-534. 

  12. Shannon, C.E. and Weaver, W. (1949) The mathematical theory of communication, ACM SIGMOBILE Mobile Computing and Communications Review, Vol. 5, Issue. 1, pp. 3-55. 

  13. Tsihrintzis, V.A. and Humid, R. (1988) Runoff quality prediction from small urbaan catchments using SWMM, Hydrological Processes, Vol.12, pp. 311-329. 

  14. Yang, Y. and Burn, D.H. (1994) An entropy approach to data collection network design, Journal of hydrology, Vol. 157, No. 1-4, pp. 307-324. 

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