[논문]빗물펌프장 계측방식과 운영 로직에 따른 거동 비교 연구

이건영; 백현욱; 류재나; 김태형; 오재일

doi:10.11001/jksww.2012.26.6.915

[국내논문] 빗물펌프장 계측방식과 운영 로직에 따른 거동 비교 연구
A comparative study on the performance of pumping station by changing measurement methods and operational logic 원문보기

上下水道學會誌 = Journal of Korean Society of Water and Wastewater, v.26 no.6, 2012년, pp.915 - 925

이건영 (중앙대학교 사회기반시스템공학부) , 백현욱 (중앙대학교 기계공학부) , 류재나 (중앙대학교 사회기반시스템공학부) , 김태형 (중앙대학교 기계공학부) , 오재일 (중앙대학교 사회기반시스템공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

On-off control performance of target pumping station was experimented by changing measurement methods for storage level or inflow and operating logic for control system setting. Four scenarios with different measurement methods and operational logic were examined in the Matlab/Simulink environment. Controller's on-off control repetition that was frequent before has been reduced and more effective and stable system operation was found to be possible with the scenarios. Moreover, defensive operation enforced prevention of floods by changing measurement methods enabled economic operation that made an utmost use of storage volumes.

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AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 이·공학 분야에서 폭넓게 사용되고 있는 MATLAB/Simulink를 기반으로 실제 빗물펌프장의 제원 구현 및 대상 시스템의 동적 거동을 검증하기 위한 시뮬레이션 소프트웨어를 개발하였다.
본 연구에서는 계측방식의 변화(내수위/유입량)와 이를 활용하는 제어 로직의 변화가 빗물펌프장 시스템의 운영에 있어서 어떠한 효과를 나타내는지 밝히고자 한다. 이를 위해 본 논문에서는 유수지의 내수위, 유수지 유입량(유입직전의 지점/유수지까지 유달시간을 가지는 이격지점) 이 실시간으로 계측된다고 가정하고, 이러한 3개의 계측값을 효과적으로 활용할 수 있는 제어로직들을 개발, 이들을 기반으로 하는 총 4개 버전의 빗물펌프장 시뮬레이터를 개발하였다.
본 연구에서는 유수지의 유입량이 계측 가능하다고 가정하고, 이를 효과적으로 활용하는 빗물펌프장 시뮬레이터를 개발하였다. 유수지의 유입량이 많고 적은 2가지 경우를 시뮬레이션으로 검증하기 위하여, 시뮬레이터의 입력값은 많은 유수지 유입량과 적은 유수지 유입량, 2개의 유수지 유입량을 랜덤하게 설정하였다(Fig.
본 연구에서는 빗물펌프장에서 계측방식과 이를 활용하는 운영 로직에 따라 펌프의 온-오프 제어 거동이 어떻게 변화되는지 비교하였다. 총 3개 지점의 정보(유수지의 내수위 및 유입량, 유수지 유입지점으로부터 일정 유달시간을 갖는 이격지점의 유입량)가 실시간으로 계측된다고 가정하고, 이를 활용하는 총 4개의 빗물펌프장 시뮬레이터를 구축하였다.

가설 설정

이러한 방식은 유수지 내수위를 초기펌프가동수위로 지속적으로 유지시키게 한다. 또한, Advanced Rule 1과 마찬가지로 이전 계측 시점부터 현재까지의 유수지 유입량의 변화율이 다음 계측 시점까지 지속될 것이라 가정하고, 이를 기준으로 추가적으로 펌프를 유지시키거나 증가 및 감소시키는 메커니즘을 도입하였다.
본 연구에서 개발한 빗물펌프장 시뮬레이터는 다음의 가정을 기초로 구축되었다. 첫째, 계측장비와 제어장치간의 정보 누락 및 딜레이는 없다고 가정한다. 둘째, 자연방류관로의 수문 개/폐장치 및 펌프 등의 과도적 동적 특성은 고려하지 않는다.
본 연구에서는 빗물펌프장에서 계측방식과 이를 활용하는 운영 로직에 따라 펌프의 온-오프 제어 거동이 어떻게 변화되는지 비교하였다. 총 3개 지점의 정보(유수지의 내수위 및 유입량, 유수지 유입지점으로부터 일정 유달시간을 갖는 이격지점의 유입량)가 실시간으로 계측된다고 가정하고, 이를 활용하는 총 4개의 빗물펌프장 시뮬레이터를 구축하였다. 이를 모의하여 계측 정보의 변화에 따른 빗물펌프장의 운영적 측면에서 얻어지는 효과를 확인한 결과는 다음과 같다.

제안 방법

본 연구에서는 계측방식의 변화(내수위/유입량)와 이를 활용하는 제어 로직의 변화가 빗물펌프장 시스템의 운영에 있어서 어떠한 효과를 나타내는지 밝히고자 한다. 이를 위해 본 논문에서는 유수지의 내수위, 유수지 유입량(유입직전의 지점/유수지까지 유달시간을 가지는 이격지점) 이 실시간으로 계측된다고 가정하고, 이러한 3개의 계측값을 효과적으로 활용할 수 있는 제어로직들을 개발, 이들을 기반으로 하는 총 4개 버전의 빗물펌프장 시뮬레이터를 개발하였다. 또한 이를 활용하여 계측값과 운영 로직의 변화에 의해 달성될 수 있는 기대 효과를 제어기 온-오프 작동의 반복성, 총 펌프 토출량, 최대 내수위의 비교를 통해 검토하였다.
이를 위해 본 논문에서는 유수지의 내수위, 유수지 유입량(유입직전의 지점/유수지까지 유달시간을 가지는 이격지점) 이 실시간으로 계측된다고 가정하고, 이러한 3개의 계측값을 효과적으로 활용할 수 있는 제어로직들을 개발, 이들을 기반으로 하는 총 4개 버전의 빗물펌프장 시뮬레이터를 개발하였다. 또한 이를 활용하여 계측값과 운영 로직의 변화에 의해 달성될 수 있는 기대 효과를 제어기 온-오프 작동의 반복성, 총 펌프 토출량, 최대 내수위의 비교를 통해 검토하였다.
본 연구에서 고려하는 빗물펌프장의 현황은 “빗물펌프장 시설능력 향상을 위한 기본 및 실시 설계 [증설1지역][대상빗물펌프장] 보고서”(서울 특별시, 2010)를 참고하였다. 대상 빗물펌프장은 현재 증설 중이지만, 본 연구에서는 증설 전의 시설현황을 기준으로 시뮬레이터를 구축하였으며, 자세한 시설 현황 및 빗물펌프장 모식도는 각각 Table 1과 Fig. 1에 나타내었다. 또한 앞서 제시한 내수위 및 유량의 계측 지점들도 Fig.
본 연구에서는 이·공학 분야에서 폭넓게 사용되고 있는 MATLAB/Simulink를 기반으로 실제 빗물펌프장의 제원 구현 및 대상 시스템의 동적 거동을 검증하기 위한 시뮬레이션 소프트웨어를 개발하였다. 실시간으로 계측되는 데이터는 내수위, 유수지 유입직전의 유입량, 유수지 유입 지점으로부터 평균 약 2분의 유달시간을 가지는 이격지점의 유입량이라 가정하고, 이러한 3개의 계측값을 이용하여 빗물펌프장 운영을 모의할 수 있는 시뮬레이터를 구축하였다(Fig. 2).
자연방류 수문의 경우, 외수위가 내수위 또는 자연방류관로의 종점을 초과하게 되면 폐쇄하도록 설정하였다. 상기의 설정을 바탕으로 각기 다른 빗물 펌프장 운영 로직이 적용된 총 4개 버전의 시뮬레이터를 개발하였으며, 이에 관한 상세 사항은 Table 2에 나타낸 바와 같다.
이는 필요한 만큼의 펌프토출량을 산정하여 펌프를 가동시키므로 Rule 1보다 적절한 수의 펌프 가동을 가능하게 한다. 또한, 이전 계측 순간부터 현재까지의 유수지 내수위의 변화율을 측정하고 이러한 변화율이 다음 계측 시점까지 지속될 것이라 가정하여, 이를 근거로 추가적으로 펌프를 유지시키거나 증가 및 감소시키는 메커니즘을 도입하였다. 이는 유수지 내수위가 급증/급감 할 경우를 대비함과 동시에 펌프의 잦은 온-오프 작동을 사전에 미리 방지하여 빗물펌프장이 보다 안정적으로 운영되도록 한다.
Rule 2의 경우 다음 계측 시점까지의 유수지 유입량 변화를 알 수 없기 때문에 방어적으로 유수지 유량의 증가량보다 크게 펌프토출량을 설정해야 하지만, Rule 3의 경우 현 시점 이후의 유수지 유입량 정보가 사전에 획득됨으로 유수지 유량의 증가량에 비례하여 펌프토출량을 설정하게 된다. 즉 본 방식에서는 현재 시점의 유수지 유입량과 2분 뒤의 유수지 유입량의 평균값과 가장 유사한 토출량을 갖도록 펌프 가동 대수를 결정하게 하였다. Rule 2의 경우에는 현재 시점의 유수지 유입량이 다음 계측 시점까지 유지된다고 가정하였지만, Rule 3에서는 2분 뒤의 유수지 유입량을 효율적으로 활용하여 변화될 유수지 유입량을 근거로 시스템을 제어하게 된다.
본 연구에서는 유수지의 유입량이 계측 가능하다고 가정하고, 이를 효과적으로 활용하는 빗물펌프장 시뮬레이터를 개발하였다. 유수지의 유입량이 많고 적은 2가지 경우를 시뮬레이션으로 검증하기 위하여, 시뮬레이터의 입력값은 많은 유수지 유입량과 적은 유수지 유입량, 2개의 유수지 유입량을 랜덤하게 설정하였다(Fig. 4).
5 mm인 강우사상을 적용했을 경우 대상 유역에서 발생하는 유입량에 해당한다. 대상 펌프장의 설계 빈도가 10년인 기존의 상태에서 모의를 가정한 사항으로 설계된 유수지의 허용용량을 초과하지 않는 상태에서 운영 로직의 변화를 통한 효과를 모의하기 위하여 유수지 유입량은 다소 보수적으로 설정하였다. 이러한 2가지 유입량을 적용하여 모의실험을 수행한 결과는 Fig.
본 연구에서는 계측방식의 변화(내수위/유입량)와 이를 활용하는 제어 로직의 변화가 빗물펌프장 시스템 운영에 미치는 효과를 펌프토출량, 유수지 최대 내수위를 기준으로 나타내었다. 펌프토출량과 내수위의 관계를 추론하여 내수침수의 예상되는 저감을 논하기에는 다소 미흡한 부분이 있으나, 펌프장의 운영방식의 변화에 따르는 기대되는 효과를 정성적으로 나타내기에 적절하다고 판단하였다.

이론/모형

본 연구에서 고려하는 빗물펌프장의 현황은 “빗물펌프장 시설능력 향상을 위한 기본 및 실시 설계 [증설1지역][대상빗물펌프장] 보고서”(서울 특별시, 2010)를 참고하였다.

성능/효과

첫째, 계측장비와 제어장치간의 정보 누락 및 딜레이는 없다고 가정한다. 둘째, 자연방류관로의 수문 개/폐장치 및 펌프 등의 과도적 동적 특성은 고려하지 않는다. 따라서 이들의 정상 상태 거동만을 고려한다.
같은 계측값(유수지 내수위)을 사용하는 Rule 1과 Advanced rule 1을 비교하면, Advanced rule 1이 전체적으로 펌프의 온-오프 작동 빈도가 많은/적은 유수지 유입량에서 각각 28 %, 8 % 감소하였으며, 이 경우의 최대 내수위가 보다 낮게 유지되었다. 또한 적은 유수지 유입량을 적용한 경우에서도 최대 내수위가 더 낮으면서 총 펌프토출량도 적은 것을 확인할 수 있었다.
같은 계측값(유수지 내수위)을 사용하는 Rule 1과 Advanced rule 1을 비교하면, Advanced rule 1이 전체적으로 펌프의 온-오프 작동 빈도가 많은/적은 유수지 유입량에서 각각 28 %, 8 % 감소하였으며, 이 경우의 최대 내수위가 보다 낮게 유지되었다. 또한 적은 유수지 유입량을 적용한 경우에서도 최대 내수위가 더 낮으면서 총 펌프토출량도 적은 것을 확인할 수 있었다. 이는 유수지 내수위에 따라 필요한 펌프토출량을 계산하여 펌프 가동 대수를 결정하는 Advanced rule 1이 좀 더 유연하게 대응할 수 있음을 입증한다.
이는 이후의 유수지 유입량을 미리 계측하여 필요한 펌프 토출량을 적절하게 산정하여 펌프를 가동시키기 때문이며, 유수지의 용량을 최대한 활용하는 가장 경제적인 방법이라고 볼 수 있다. 이로 인하여 다른 시뮬레이터에서 가동 중인 구역에서도 펌프를 가동하지 않고 대기하는 거동을 보이며, 적절한 펌프토출량을 가동하여 온-오프 반복이 2개 유입량에 대하여 26회, 53회로 가장 적었고, Rule 1에 비하여 최대 69 % 감소되는 효과가 나타났다.
많은 유수지 유입량에서는 일반적인 운영로직인 Rule 1보다 비구조적 개선이 된 Advanced rule 1과 구조적 개선이 이루어진 Rule 3은 총 펌프토출량이 많지만 최대 내수위가 낮게 나타나 수방능력이 더 우수하다고 보이고, 적은 유수지 유입량 적용시에는 총 펌프토출량이 적어 상대적으로 위험성이 적을 때에는 경제적인 운영을 했다고 볼 수 있다.
본 연구에서는 계측방식의 변화(내수위/유입량)와 이를 활용하는 제어 로직의 변화가 빗물펌프장 시스템 운영에 미치는 효과를 펌프토출량, 유수지 최대 내수위를 기준으로 나타내었다. 펌프토출량과 내수위의 관계를 추론하여 내수침수의 예상되는 저감을 논하기에는 다소 미흡한 부분이 있으나, 펌프장의 운영방식의 변화에 따르는 기대되는 효과를 정성적으로 나타내기에 적절하다고 판단하였다. 기대되는 내수침수의 저감효과를 나타내기 위해서는 펌프장과 연계된 하수관로의 모델링을 통합하여 수행함이 적절할 것으로 판단되며, 본 연구의 후속 연구로서 수행함이 가능할 것으로 제안한다.
1) 같은 유수지 내수위를 계측값으로 활용하더라도 펌프의 온-오프 작동을 기준 수위만을 정하여 운영하는 것보다는 내수위에 따라 필요한 펌프토출량을 계산하고 내수위의 변화량에 따라 펌프의 작동을 결정하는 제어 기법을 도입하여 잦은 온-오프 작동을 사전에 예방함으로써 더욱 경제적이면서도 안정적인 제어 효과를 얻을 수 있다.
2) 유수지로의 유입량을 실시간으로 계측하여 활용할 경우, 이보다 항상 펌프토출량을 크도록 운영한다면 집중강우시 적합한 방어적인 빗물펌프장 운영이 가능하다. 또한 일정 시간 이후의 유수지 유입량을 계측할 수 있다면, 미래의 유입량을 미리 알고 적정 펌프토출량을 계산하여 펌프를 가동시킬 수 있기 때문에 안전성을 확보하면서 유수지의 용량을 최대한 활용하는 경제적인 빗물펌프장 운영이 가능하다.

후속연구

3) 단순한 온-오프 제어 기법을 기반으로 하여서도 활용가능성이 높은 빗물펌프장 제어시스템을 개발할 수 있으며, 유수지 유입량의 정확한 계측법이 확보된다면 실제 빗물펌프장의 원격제어감시시스템에 도입하여 안정적인 운영이 가능하다.
펌프토출량과 내수위의 관계를 추론하여 내수침수의 예상되는 저감을 논하기에는 다소 미흡한 부분이 있으나, 펌프장의 운영방식의 변화에 따르는 기대되는 효과를 정성적으로 나타내기에 적절하다고 판단하였다. 기대되는 내수침수의 저감효과를 나타내기 위해서는 펌프장과 연계된 하수관로의 모델링을 통합하여 수행함이 적절할 것으로 판단되며, 본 연구의 후속 연구로서 수행함이 가능할 것으로 제안한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	도시 내 빗물펌프장은 무엇인가?	도시 내 빗물펌프장은 강우 시 방류하천 외수위가 상승하여 자연유하에 의해 유출수(runoff)를 배제할 수 없을 경우 펌프에 의하여 강제 배수하기 위한 시설로서 펌프시설, 유수지(펌프 토출능력을 초과하는 유량을 일시 저류하기 위한 시설) 및 부속시설 등으로 구성되어 있으며, 주민의 재산과 생명을 보호하기 위한 중요한 도시방재 기반시설이다(환경부, 2010). 도시 내에 불투수면 증가와 빠른 배수를 위한 하수관로 시스템의 특성에 따라 펌프장의 운영은 점차 신속성과 고도의 판단이 요구되고 있다.
	도시 내 빗물펌프장은 무엇으로 구성되어 있는가?	도시 내 빗물펌프장은 강우 시 방류하천 외수위가 상승하여 자연유하에 의해 유출수(runoff)를 배제할 수 없을 경우 펌프에 의하여 강제 배수하기 위한 시설로서 펌프시설, 유수지(펌프 토출능력을 초과하는 유량을 일시 저류하기 위한 시설) 및 부속시설 등으로 구성되어 있으며, 주민의 재산과 생명을 보호하기 위한 중요한 도시방재 기반시설이다(환경부, 2010). 도시 내에 불투수면 증가와 빠른 배수를 위한 하수관로 시스템의 특성에 따라 펌프장의 운영은 점차 신속성과 고도의 판단이 요구되고 있다.
	도시 내 빗물펌프장이 CCTV 감시체계 및 펌프 계측·제어 방식을 도입한 원격제어감시시스템 방식으로 전환되고 있는 이유는 무엇인가?	도시 내 빗물펌프장은 강우 시 방류하천 외수위가 상승하여 자연유하에 의해 유출수(runoff)를 배제할 수 없을 경우 펌프에 의하여 강제 배수하기 위한 시설로서 펌프시설, 유수지(펌프 토출능력을 초과하는 유량을 일시 저류하기 위한 시설) 및 부속시설 등으로 구성되어 있으며, 주민의 재산과 생명을 보호하기 위한 중요한 도시방재 기반시설이다(환경부, 2010). 도시 내에 불투수면 증가와 빠른 배수를 위한 하수관로 시스템의 특성에 따라 펌프장의 운영은 점차 신속성과 고도의 판단이 요구되고 있다. 따라서 인간의 감각과 경험에 의존하는 방식에서 탈피하여 수집된 정보를 바탕으로 과학적이고 체계적인 운영을 할 수 있도록 전국적으로 CCTV 감시체계 및 펌프 계측·제어 방식을 도입한 원격제어감시시스템 방식으로 전환되고 있다(환경부, 2010).

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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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