[논문]Smart Water Grid 구축을 위한 수질 조기 감시 체계(Contamination Warning System) 도입 타당성 검토

윤석민; 박노석; 안제영; 송영일; 신창수; 김성한

doi:10.11001/jksww.2015.29.2.271

Smart Water Grid 구축을 위한 수질 조기 감시 체계(Contamination Warning System) 도입 타당성 검토
Feasibility Study for the Introduction of Contamination Warning System for Establishing Smart Water Grid 원문보기

上下水道學會誌 = Journal of Korean Society of Water and Wastewater, v.29 no.2, 2015년, pp.271 - 281

윤석민 (경상대학교 토목공학과 및 공학연구원) , 박노석 (경상대학교 토목공학과 및 공학연구원) , 안제영 (K-water 수도관리처) , 송영일 (K-water 수도관리처) , 신창수 (K-water 고양권관리단) , 김성한 (K-water 수도관리처)

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문제 정의

이에 EPA에서는 일명 ‘사고 모의 프로그램’을 먼저 개발하여 오염 물질에 대한 수질 항목의 거동을 기본적으로 파악하고 모의 사고 데이터를 생산할 수 있는 방안을 마련하였다. 모든 오염 물질 및 주입량을 대상으로 실험을 통해서 데이터베이스를 구축하는 것은 불가능하므로 EPA에서 개발한 사고 모의 프로그램을 활용하는 것이다. 현재 ‘discrete event simulation software’가 일부 공개되어 있지만 수돗물 수질 사고 관련 프로그램은 공개버전이 없다.
이에 본고에서는 최근 물을 이용한 테러와 같은 의도적인 수질 사고 및 자연 재해로 인한 수도 시스템 관련 공중 보건 및 경제적 피해를 최소화하고 단시간에 복구가 가능한 수질오염 조기 감시체계(CWS; Contamination Warning System)를 국내에 도입하는 경우를 가정하고 기술적인 환경과 타당성을 조사하고, 정보를 공유하고자하였다. 현재까지 CWS의 구축에 있어서 pilot 규모까지 수행해 본 경험을 가진 사례는 미국 EPA의 Water Security initiative 프로그램이기에 많은 자료를 여기서 참조하였다.
온라인 수질 모니터링 스테이션을 구성하는 핵심 기술 중에 하나는 수질사고감지시스템(EDS)을 개발하는 것이다. 미국 EPA에서는 2005년 12월부터 정확도 높은 EDS의 개발을 위해 ‘EDS Challenge’로 명명된 기술 개발 프로젝트에 5개의 수질 센서 전문기업을 참여시켜 총 250만불(약 25억원)을 투자하여 각기 개발된 기술을 평가하였다.
1 참조). 이 프로그램의 궁극적인 목적은 수돗물을 생산하여 공급하는 전 과정에 대하여 발생할 수 있는 의도적인(테러 등) 또는 자연적인(자연 재해 등) 수질 사고를 조기에 감시하고 혹시 발생하는 경우 가장 빠른 대응을 할 수 있는 총체적인 시스템(CWS)을 구축하고 성공적으로 운영하는 것이다. 이에 본고에서 언급하고자 하는 수질오염 조기 감시체계(CWS; Contamination Warning System)은 EPA 보고서에서 원어로 “ a proactive approach to managing threat warnings that uses advanced monitoring technologies/strategies and enhanced surveillance activities to collect, integrate, analyze, and communicate information to provide a timely warning of potential water contamination incidents and initiate response actions to minimize public health and economic impacts.
이에 본고에서는 최근 물을 이용한 테러와 같은 의도적인 수질 사고 및 자연 재해로 인한 수도 시스템 관련 공중 보건 및 경제적 피해를 최소화하고 단시간에 복구가 가능한 수질오염 조기 감시체계(CWS; Contamination Warning System)를 국내에 도입하는 경우를 가정하고 기술적인 환경과 타당성을 조사하고, 정보를 공유하고자하였다. 현재까지 CWS의 구축에 있어서 pilot 규모까지 수행해 본 경험을 가진 사례는 미국 EPA의 Water Security initiative 프로그램이기에 많은 자료를 여기서 참조하였다.

제안 방법

Fig. 1에서 언급한 바와 같이 미국 EPA에서는 2005년부터 2006년까지 1단계(phase) CWS 구축을 위한 개념 설계, 예산 수립 및 ‘Library’구축을 수행하였으며, 이후 2007년부터 2013년까지의 2단계에서는 미국의 신시내티와 같은 도시를 대상으로 배·급수 관망 6곳을 대상으로 pilot 규모의 CWS를 구축하고 평가 실험을 수행하였다.
미국 신시내티의 pilot 테스트 및 평가 기간 동안에 모의 데이터 2년치를 생성하여 학습(learn)시켜 library를 구축하고 실제 배·급수 관로 상에서 수질 사고를 정확하게 감지하는 지의 여부를 평가하였다.
샘플링과 분석과정에서 의심되는 특정 오염물질에 대해 ‘기저’를 구축하고 이에 반응하는 기본 수질 항목의 거동과 다른 오염원의 상관성을 분석하여 데이터베이스를 지속적으로 업그레이드 시킨다.
CWS의 구성요소로써 ‘보안 시스템’은 수도 시스템을 대상으로 고의적인 테러 등의 보안 사고를 감지하고 대응하는 장비 및 절차를 포함한다. 이에 보안 시스템은 세 부분의 설계 요소로 구성되어 있는데 첫째가 보안 감시 장비(physical security equipment)로 카메라, 모션 활성화 조명, 무단 침입 경보기, 사디리 및 창 동작 감시기 및 지역 모션 감지기 등이 이에 포함되며, 둘째는 데이터 관리 및 통신(data management and communication) 시스템으로 전용 SCADA(Supervisory Control and Data Acquisition)구축을 통해 운영자에게 거의 실시간의 보안 경보 및 감시 동영상을 제공하도록 한다. 통신 장비는 디지털 네트워크를 통해 통제 센터에 경보 및 비디오 클립파일을 전송하고 저장할 수 있는 전용사이트를 구축하여야 한다.

대상 데이터

Table 1에서 언급한 각 EDS는 2007년부터 2014년까지 미국 신시내티 고립 배·급수 관망 6곳을 대상으로 pilot 규모로 예측 가능성을 평가 받았다.
이에 본고에서는 최근 물을 이용한 테러와 같은 의도적인 수질 사고 및 자연 재해로 인한 수도 시스템 관련 공중 보건 및 경제적 피해를 최소화하고 단시간에 복구가 가능한 수질오염 조기 감시체계(CWS; Contamination Warning System)를 국내에 도입하는 경우를 가정하고 기술적인 환경과 타당성을 조사하고, 정보를 공유하고자하였다. 현재까지 CWS의 구축에 있어서 pilot 규모까지 수행해 본 경험을 가진 사례는 미국 EPA의 Water Security initiative 프로그램이기에 많은 자료를 여기서 참조하였다.

이론/모형

또한 구축된 사고 확률 계산 모델은 이항 사고 선별 모델(BED; Binominal Event Discriminator model)을 적용하였으며, 미국 EPA에서는 기존의 일정한 임계치를 이용하는 ‘Set Point’방법에 비해 효율적임을 강조하였다.
평가 도중 발생하는 문제점과 보완, 시스템의 업그레이드 등을 위해서 연속적인 성능 평가가 어려웠으며, 정확도 70%이하의 성능을 보여 기술 개발의 어려움을 여실히 보여주었다. 상기 언급한 EDS 중 SNL과 EPA가 공동 개발하고자 한 CANARY의 경우 수질을 예측하고 사고 확률을 계산하는 알고리즘을 구성하여 시제품을 만들었는데, 적용한 수질 예측 모델은 상태 추정모델(state estimation model)로 시계열 증가모델(time series increments model), 선형 필터 모델(linear filter model) 및 다변량 최우도법(multivariate nearest neighbor algorithm)를 적용하였다. 또한 구축된 사고 확률 계산 모델은 이항 사고 선별 모델(BED; Binominal Event Discriminator model)을 적용하였으며, 미국 EPA에서는 기존의 일정한 임계치를 이용하는 ‘Set Point’방법에 비해 효율적임을 강조하였다.

성능/효과

Table 1에서 언급한 다섯 가지 EDS의 알고리즘을 모두 검토하지 못했지만 대표적인 CANARY를 조사해본 결과 수질 예측 모델로 시계열 증가모델, 선형 필터 모델, 다변량 최우도법 등의 상태 추정모델을 사용하고 있었으며, 또한 사고 확률 계산을 위해서는 이항 사고 선별 모델을 사용하고 있는 것으로 나타났다. Fig.
그런데 신시내티의 관로를 대상으로 pilot 테스트를 수행한 결과 6개의 온라인 모니터링 지점에서 높게는 70%이상, 낮게는 7%의 정확도를 가지는 것으로 평가되었다. 또한 다섯 가지 EDS를 모두 평가한 결과에서 공히 정확도가 낮은 지점은 관로 내의 압력변화가 가장 심한 지점으로 나타나는 것을 보여주었다.
그런데 신시내티의 관로를 대상으로 pilot 테스트를 수행한 결과 6개의 온라인 모니터링 지점에서 높게는 70%이상, 낮게는 7%의 정확도를 가지는 것으로 평가되었다. 또한 다섯 가지 EDS를 모두 평가한 결과에서 공히 정확도가 낮은 지점은 관로 내의 압력변화가 가장 심한 지점으로 나타나는 것을 보여주었다.
미국에서 agent 및 plant library를 구성할 때 대상으로 고려하는 가장 중요한 오염물질들이 대부분 유기화합물질들이며, 이러한 물질로 인해 수질 오염이 발생하는 경우 상대적으로 다른 항목들에 비해 TOC가 민감하게 반응하는 것으로 연구되었다. 또한, 상기 언급한 TOC 측정에 있어서의 단점들-측정 간격이 길고, 측정 장비가 고가이며 유지관리가 어려운-을 보완하기 위해 UV254의 대체 여부를 고려한 결과에서 대상 오염물질에 대한 민감도가 낮아 대체가 어려운 것으로 결론지었다.
뿐만 아니라 해당 pilot 테스트 대상 배·급수 시스템(신시내티)에서의 사고 예측 정확도가 최고 70%정도이며, 이 중에도 계측기의 오류가 40% 이상을 차지하는 것으로 나타났다.
10는 국내 중소도시(P_시)에서 운영 중인 배수지 탁도 데이터를 2013년 2월 1일부터 4월 30일까지 발췌한 것이다. 중소 도시규모의 최근의 수질 데이터임을 감안할 때, 약 70%이상의 결측치가 나타나고 있으며, 측정된 데이터 상에서도 많은 outlier가 관측됨을 알 수 있다. 즉 Fig.
Table 1에서 언급한 각 EDS는 2007년부터 2014년까지 미국 신시내티 고립 배·급수 관망 6곳을 대상으로 pilot 규모로 예측 가능성을 평가 받았다. 평가 도중 발생하는 문제점과 보완, 시스템의 업그레이드 등을 위해서 연속적인 성능 평가가 어려웠으며, 정확도 70%이하의 성능을 보여 기술 개발의 어려움을 여실히 보여주었다. 상기 언급한 EDS 중 SNL과 EPA가 공동 개발하고자 한 CANARY의 경우 수질을 예측하고 사고 확률을 계산하는 알고리즘을 구성하여 시제품을 만들었는데, 적용한 수질 예측 모델은 상태 추정모델(state estimation model)로 시계열 증가모델(time series increments model), 선형 필터 모델(linear filter model) 및 다변량 최우도법(multivariate nearest neighbor algorithm)를 적용하였다.

후속연구

일단 수질 오염사고 확률이 일정 이상이 되게 되면, 온라인 모니터링 스테이션에서 자동 샘플링하게 되고 이를 대상으로 오염원의 상세 분석은 사전에 협조를 약속한 해당 지역 인근의 산·학·연에서 운영 중인 실험실을 네트워크화하고 각 수질 분석 능력을 미리 평가하여 일정 수준 이상의 ‘Laboratory response capability’를 구성하게 된다. 각 실험실의 측정 능력에 따라 신종 화학물질, 방사성 핵종, 병원성 미생물의 샘플링 및 분석에 대한 업무를 분장해두어야 한다. Fig.
국내 실정에 타당한 수질오염 사고 가능성 물질을 선별하고, 이를 바탕으로 많은 실험과 전문가들의 경험적 지식이 융합되어 데이터베이스화 되어야하며 소프트웨어 기반으로 도구화되어야 한다. 방법론적으로 국내 여건을 고려한 수도시스템 오염사고 가능 오염물질 및 주입량을 입력변수로, 수질항목의 반응을 출력함수로 구성된 상관성 분석 모델을 개발하고 모의 관로 실험으로 모델을 검증하는 과정을 통하여 수질사고 모의 프로그램을 개발할 수 있을 것으로 생각된다.
이에 국내에서 추진 중인 정수장 및 배수지 후단에 TOC를 제외한 예상 오염물질의 pH, 잔류염소, 전기전도도의 민감도를 분석하여 기 구축된 수질 측정 장비를 최대한 활용할 수 있는 방안을 마련하는 것이 국내 현실을 고려할 때 타당하리라 사료된다. 아울러 국내 CWS구축을 위한 agent 및 plant library 구축에 있어서도 TOC를 제외한 수질 항목(pH, 잔류염소, 전기전도도)으로 수질 오염사고 가능 물질의 거동 분석 가능여부 및 신속성을 우선적으로 확인하는 노력도 필요하다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	배･급수관망을 포함한 수질 측정 지점에서 실시간으로 측정된 수질 데이터는 어떠한 경우에 오염사고 발생을 알리는가?	배･급수관망을 포함한 수질 측정 지점에서 실시간으로 측정된 수질 데이터는 이미 구축된 데이터베이스(Agent 및 Plant Libary)와 비교하여 명확한 설명이 수반되지 않는 큰 차이(residual deviation)을 보이는 경우 오염사고(event)발생을 알리게 된다. 정확한 오염사고를 예측하기 위해서는 실시간 수질 데이터와의 비교 대상이 되는 데이터베이스, ‘Agent library’와 ‘Plant library’를 정확도 높게 잘 구축하여야 한다.
	측정 단위시간동안 데이터베이스의 기저와 비교할 때 실측값과 예측값 간에 발생하는 차이를 언급하는데, 대부분의 수질 데이터는 다시 기저로 돌아오는 양상을 보였다고 한 이유는?	‘기저 변화’는 급작스럽지만 측정 수질항목의 평균값이 몇 시간 또는 그 이상 지속성을 가지고 변화하는 상항을 말한다. 통상 기저 변화는 대상 수도 시스템의 운영상의 변화에 기인되는 수질 변화가 모니터링 스테이션을 통과하면서 나타나는 현상인데, 밸브나 펌프의 운전 중단으로 상이한 배경 수질이 관로를 통해 지나가거나, 거리가 다른 물탱크의 수질이 유입 또는 상이한 물연령(water age)의 물이 모니터링 스테이션에서 측정되는 경우 발생한다. 다음으로 ‘Outlier’는 아주 짧은 시간동안 예상치 못한 수질 항목의 변화가 나타나는 상황을 말한다.
	Water Security Initiative은 몇 단계로 구성되었는가?	미국 환경청(EPA; Environmental Protection Agency)에서는 2005년부터 2015년 현재까지 약 10년 동안 3단계로 구성된 “Water Security Initiative (물안보 확립 계획)”을 추진 중에 있다(Fig. 1 참조).

참고문헌 (17)

B.H Tangena, P.J.C.M. Janssen, G. Tiesjema, E.J. van den Brandhof, M. Klein Koerkamp, J.W. Verhoef, A. Filippi, W. van Delft (2011) 'A Novel approach early warning of drinking water contamination events' the Water Contamination Emergencies Conference 4 in Mullheim (October 11-13, 2010)
Brandon Grissom (2011) 'SFPUC Contamination Warning System Demonstration Pilot project'
J. Alan Boberson, Kevin M. Morely (2005) 'Contamination Warning Systems for Water: An Approach for providing Actionable Information to Decision-Makers, American Water Works Association.
Korea Database Agency (2006) Data Quality Maintenance Guidelines(VER 2.1)
Ministry of Environment, Korea (2011) 'National Water Supply Service Database-Standardized Guidelines Commentary and General Management Plan'
Robert Janke, Regan Murray, James Uber, Tom Taxon (2006) 'Comparison of Physical Sampling and Real-Time Monitoring Strategies for Designing a Contamination Warning System in a Drinking Water Distribution System' Journal of Water Resources Planning and Management, Vol. 132, No. 4, pp. 310-313.

상세보기
U.S. EPA (2005) Water Sentinel System Architecture Draft, Version 1.0 U.S EPA Water Security Division.
U.S. EPA (2010) Water Quality Event Detection Systems for Drinking Water Contamination Warning Systems. National Homeland Security Research Center.
U.S. EPAa (2014) Water Security Initiative: System Evaluation of the Cincinnati Contamination Warning System Pilot. U.S EPA Water Security Division.
U.S. EPAb (2014) Water Security Initiative: Evaluation of the Water Quality Monitoring Component of the Cincinnati Contamination Warning System Pilot U.S EPA Water Security Division.
U.S. EPAc (2014) Water Security Initiative: Evaluation of the Enhanced Security Monitoring Component of the Cincinnati Contamination Warning System Pilot U.S EPA Water Security Division.
U.S. EPAd (2014) Water Security Initiative: Evaluation of the Customer Complaint Surveillance Component of the Cincinnati Contamination Warning System Pilot U.S EPA Water Security Division.
U.S. EPAe (2014) Water Security Initiative: Evaluation of the Public Health Surveillance Component of the Cincinnati Contamination Warning System Pilot U.S EPA Water Security Division.
U.S. EPAf (2014) Water Security Initiative: Evaluation of the Consequence Management Component of the Cincinnati Contamination Warning System Pilot U.S EPA Water Security Division.
U.S. EPAg (2014) Water Security Initiative: Evaluation of the Sampling and Analysis Component of the Cincinnati Contamination Warning System Pilot U.S EPA Water Security Division.
U.S. EPA (2013) Water Security Initiative: Guidance for building laboratory capbilities to response to drinking water contamination Office of water.
William E. Hart, Regan Murray (2010) 'Review of Sensor Placement Startegies for Contamination Warning System in Drinking Water Distribution Systems,

저자의 다른 논문 :

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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