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문제 정의
- 생애주기 에너지 분석은 제조 단계, 유지 및 관리 단계, 그리고 해체 단계 총 세 단계로 진행되며, 각 단계에서 상수관망을 구성하는 각 관에 대한 에너지 소비량을 산정한다. 본 연구에서 개발한 모형의 목적함수는 연간 총 에너지 소비량의 최소화이다. 연간 에너지 소비량은 식 (1)과 같이 각 단계 별로 산정된 에너지 소비량의 총 합을 생애주기로 나눈 것으로 정의한다.
- 본 연구에서는 생애주기 에너지 분석을 최적화 기법인 유전자 알고리즘과의 연계를 통해 상수관망의 최적 설계프로그램을 제안하였다. 해당 프로그램은 상수관망의 생애주기 동안의 관의 노후 및 파손 같은 변화를 내부적으로 모의할 수 있으며, 수리해석 프로그램인 EPANET2.
- 개발한 모형은 향후 지속적인 연구를 위해 제안된 기초 모형으로 아직 많은 가정을 포함하고 있다. 이는 현재 국내에서 상수관망의 설계에 대한 여러 정보를 확보하기에는 어려움이 많기 때문이고, 이에 본 연구에서는 적절한 가정을 통해 모형을 구성하였으나 향후 다양한 정보를 통해 모형의 가정에 따른 문제를 해결하기 쉽도록 구축하였다. 하지만 아직 생애주기 기반으로 최적 설계가 활발히 이루어지지 않고 있으며, 기존에 많은 연구들이 최적 설계에 비용을 사용하고 있기에 새로운 개념인 에너지를 통해 상수관망의 설계를 할 수 있다는 점에서 의미가 있는 연구라고 할 수 있다.
- 상수관망이 많은 관들로 이루어져 있기에, 각 관의 관경을 결정하는 것은 간단한 문제가 아니다. 이에 많은 연구에서는 해당 문제를 해결하기 위해서 LP, Genetic Algorithm, Simulated Annealing Approach, Shuffled Frog Leaping Algorithm, Ant Colony Optimization Algorithm, Harmony Search와 같은 최적화 기법을 도입하여 최적 관경을 결정하고자 했다([1]-[7]). [1]-[7]의 연구뿐만 아니라 다양한 상수관망 최적 설계 연구에서는 공사비 및 유지비와 같은 비용을 최소화하는 목적함수를 사용하였었다.
가설 설정
- 4에서 볼 수 있듯이 대부분의 관경이 확대된 영향도 있지만, B 관망의 경우 초기 비용에 갱생에 대한 비용이 추가되기 때문이다. 갱생에 대한 비용은 교체 비용의 65%로 가정하여 임의로 사용하였으며 이에 따라 초기 비용에 추가하여 총 비용을 산정하였다. 다만, 총 비용과는 달리 비용을 연간 비용으로 환산할 경우 길어진 생애주기 영향으로 오히려 에너지 최적 설계의 경우 비용 최적 설계에 25%가량 적은 것으로 나타났다.
- 관의 갱생과 교체는 노후도가 특정 값이 되었을 때 진행하는데, [12]는 갱생의 경우 C값이 90 이하가 되면 실시하고 갱생 후에는 구조적 강도의 불이익을 감안하여 C값이 110으로 회복하는 것으로 가정하였다. 또한 교체의 경우 관의 구조적 강도를 감안하여 두 번의 갱생 후에 C값이 다시 80 이하가 되면 실시하는 것으로 가정하였다.
- 관의 갱생과 교체는 노후도가 특정 값이 되었을 때 진행하는데, [12]는 갱생의 경우 C값이 90 이하가 되면 실시하고 갱생 후에는 구조적 강도의 불이익을 감안하여 C값이 110으로 회복하는 것으로 가정하였다. 또한 교체의 경우 관의 구조적 강도를 감안하여 두 번의 갱생 후에 C값이 다시 80 이하가 되면 실시하는 것으로 가정하였다. 이는 국내 수도사업소에서 관의 수명을 대략 25년에서 35년 정도로 제시한 것을 바탕으로, 해당 기간에서 식(12)를 통한 관경별 노후도를 평가하여 제안한 가정이다.
- 이에 관의 재질은 주철관으로 가정하고 매설지역 역시 수도권 지역으로 가정하여, 노후도식 및 관의 파손 확률을 적용에 문제가 없도록 하였다. 또한 두 관망 모두 설치 전 설계 단계의 상수관망으로 가정하여 초기 C 값이 130으로 통일된 값을 설정하였다.
- 해당 식은 [15]가 갱생 비용이 교체 비용의 대략 65%라고 한 것에 근거하여 정의되었다. 비용과 에너지는 근본적으로 차이가 있지만, 비용 면에서의 비율이 에너지 측면에서도 유효하다고 가정하고 갱생 에너지 소비량을 교체 에너지 소비량의 65%로 가정하였다.
- 또한 교체의 경우 관의 구조적 강도를 감안하여 두 번의 갱생 후에 C값이 다시 80 이하가 되면 실시하는 것으로 가정하였다. 이는 국내 수도사업소에서 관의 수명을 대략 25년에서 35년 정도로 제시한 것을 바탕으로, 해당 기간에서 식(12)를 통한 관경별 노후도를 평가하여 제안한 가정이다. 정확한 모의를 위해서는 좀 더 구체적인 가정을 근거로 수정을 하여야 하지만, 본 연구는 최적 설계에 중점을 두기에, [12]가 제안한 가정을 임시로 사용하였다.
- 교체 시 새로운 관의 제조와 기존 관의 폐기가 포함된다. 이에 [12]에서 교체 에너지 소비량을 제조와 폐기 에너지 소비량의 합으로 가정하였다.
- 형태만 차용한 것은 본 연구에서 개발한 모형이 가지고 있는 가정사항을 만족하도록 하기 위함이다. 이에 관의 재질은 주철관으로 가정하고 매설지역 역시 수도권 지역으로 가정하여, 노후도식 및 관의 파손 확률을 적용에 문제가 없도록 하였다. 또한 두 관망 모두 설치 전 설계 단계의 상수관망으로 가정하여 초기 C 값이 130으로 통일된 값을 설정하였다.
- 이는 국내 수도사업소에서 관의 수명을 대략 25년에서 35년 정도로 제시한 것을 바탕으로, 해당 기간에서 식(12)를 통한 관경별 노후도를 평가하여 제안한 가정이다. 정확한 모의를 위해서는 좀 더 구체적인 가정을 근거로 수정을 하여야 하지만, 본 연구는 최적 설계에 중점을 두기에, [12]가 제안한 가정을 임시로 사용하였다. 후에 개량에 대한 연구를 통해 구체적인 방법론의 고찰이 이루어져야 한다.
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