대규모 상수관망 시스템의 운영비용 절감을 위한 펌프장 운영 최적화 연구가 최근 활발히 진행되고 있다. 이러한 상수관망 시스템 운영 최적화에 대한 연구를 수행하기 위해서는 짧게는 24시간, 길게는 1주일 이상의 시간모의가 필수적이며, 최적화 알고리즘과의 연계를 통한 시뮬레이션이 요구된다. 대규모 상수관망의 경우 관로 및 절점의 수가 수 천 혹은 수 만개에 달해 수리해석 및 최적화에 많은 시간이 소요되며 실시간 운영을 목적으로 하는 경우 모형의 적용에 한계가 발생한다. 이처럼 모의시간에 대한 문제를 해결하기 위해서는 해당 상수관망 시스템의 수리 거동, 수질 해석 결과를 변화시키지 않는 범위에서 관망을 간소화 할 필요가 있다. 본 연구에서는 국내에서 실제로 운영되고 있는 송, 배수 시스템의 일부를 대상으로 시스템 간소화, 즉 골격화(Skeletonization) 연구를 진행하였으며, 모두 네 가지의 골격화 기법을 비교, 평가하였다. 본 연구에서 제안된 골격화 기법을 통해 대규모 상수관망의 해석에 소요되는 시간을 단축함으로써, 실제 상수관망의 실시간 운영 모듈 개발에 도움이 될 것으로 기대한다.
대규모 상수관망 시스템의 운영비용 절감을 위한 펌프장 운영 최적화 연구가 최근 활발히 진행되고 있다. 이러한 상수관망 시스템 운영 최적화에 대한 연구를 수행하기 위해서는 짧게는 24시간, 길게는 1주일 이상의 시간모의가 필수적이며, 최적화 알고리즘과의 연계를 통한 시뮬레이션이 요구된다. 대규모 상수관망의 경우 관로 및 절점의 수가 수 천 혹은 수 만개에 달해 수리해석 및 최적화에 많은 시간이 소요되며 실시간 운영을 목적으로 하는 경우 모형의 적용에 한계가 발생한다. 이처럼 모의시간에 대한 문제를 해결하기 위해서는 해당 상수관망 시스템의 수리 거동, 수질 해석 결과를 변화시키지 않는 범위에서 관망을 간소화 할 필요가 있다. 본 연구에서는 국내에서 실제로 운영되고 있는 송, 배수 시스템의 일부를 대상으로 시스템 간소화, 즉 골격화(Skeletonization) 연구를 진행하였으며, 모두 네 가지의 골격화 기법을 비교, 평가하였다. 본 연구에서 제안된 골격화 기법을 통해 대규모 상수관망의 해석에 소요되는 시간을 단축함으로써, 실제 상수관망의 실시간 운영 모듈 개발에 도움이 될 것으로 기대한다.
Studies of optimizing pump operation in water distribution networks (WDN) are receiving spotlight in recent days. However, the water networks are quite complex including thousands of or even tens of thousands of nodes and pipes, thus simulation time is an issue. In some cases, implementing a compute...
Studies of optimizing pump operation in water distribution networks (WDN) are receiving spotlight in recent days. However, the water networks are quite complex including thousands of or even tens of thousands of nodes and pipes, thus simulation time is an issue. In some cases, implementing a computer model for pump operation decisions is restrictive due to intensive computation time. To that end, it is necessary to reduce the simulation time of water networks by simplifying the network layout. In this study, WDN skeletonization approaches were suggested and applied to a real water transmission network in South Korea. In skeletonizing the original network, it was constrained to match the water pressure and water age in the same junction locations to maintain the hydraulic and water quality characteristics in the skeletonized network. Using the skeletonization approaches suggested in this study, it is expected to reduce the simulation time of WDN and apply for developing a computer module of WDN real-time optimal operation.
Studies of optimizing pump operation in water distribution networks (WDN) are receiving spotlight in recent days. However, the water networks are quite complex including thousands of or even tens of thousands of nodes and pipes, thus simulation time is an issue. In some cases, implementing a computer model for pump operation decisions is restrictive due to intensive computation time. To that end, it is necessary to reduce the simulation time of water networks by simplifying the network layout. In this study, WDN skeletonization approaches were suggested and applied to a real water transmission network in South Korea. In skeletonizing the original network, it was constrained to match the water pressure and water age in the same junction locations to maintain the hydraulic and water quality characteristics in the skeletonized network. Using the skeletonization approaches suggested in this study, it is expected to reduce the simulation time of WDN and apply for developing a computer module of WDN real-time optimal operation.
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문제 정의
본 연구에서는 대규모 상수관망의 시뮬레이션과 실시간 최적화 모형 적용에 있어 제약이 되었던 계산시간 문제를 개선하기 위하여 다양한 골격화 기법을 제시하고 평가하였다. 등가 관 공식을 적용하여 수압균등, 수질균등, 수압 및 수질균등 등 모두 4가지 골격화 기법을 제시하고 실제 관망에 적용하였다.
이렇듯 복잡한 상수관망의 골격화에 대한 필요성은 인지하고 있으나, 범용으로 적용 가능한 기법 제시 및 실제 시스템에 적용한 연구는 부족한 실정이다. 이에 본 연구에서는 대규모 상수관망의 골격화 방안에 대한 체계적인 절차를 제안하고 나아가 수압과 수질을 동시에 고려한 기법들을 소개하였다. 제안된 기법들은 국내 실제 송, 배수시스템에 적용하여 각각의 골격화 방법을 비교, 분석하였다.
제안 방법
S. EPA, 2000)과 수치해석 및 프로그래밍 환경을 제공하는 공학용 소프트웨어인 MATLAB(Mathworks, 2000)을 연동하여 상수관망 시스템의 골격화 기법을 제시하고 평가하였다. 등가 관 공식을 이용하여 시스템 내 수압(Pressure)을 기준으로 골격화 하는 경우와 수질(Water Age)을 기준으로 골격화 하는 경우, 그리고 두 가지 인자를 동시에 고려한 골격화 방안을 제시하고 각각의 결과에 대해서 분석하였다.
EPA, 2000)과 수치해석 및 프로그래밍 환경을 제공하는 공학용 소프트웨어인 MATLAB(Mathworks, 2000)을 연동하여 상수관망 시스템의 골격화 기법을 제시하고 평가하였다. 등가 관 공식을 이용하여 시스템 내 수압(Pressure)을 기준으로 골격화 하는 경우와 수질(Water Age)을 기준으로 골격화 하는 경우, 그리고 두 가지 인자를 동시에 고려한 골격화 방안을 제시하고 각각의 결과에 대해서 분석하였다. 본 연구를 통해 대규모 상수관망의 시뮬레이션과 최적화 모형 적용에 있어 제약이 되었던 계산시간 문제를 효과적으로 개선할 수 있을 것으로 기대한다.
위의 알고리즘은 EPANET Toolkit과 Matlab를 연동하여 프로그램화함으로써 골격화 진행시간을 단축하고 대규모 네트워크에 적용이 가능하도록 편의성을 확보하였다.
이에 본 연구에서는 대규모 상수관망의 골격화 방안에 대한 체계적인 절차를 제안하고 나아가 수압과 수질을 동시에 고려한 기법들을 소개하였다. 제안된 기법들은 국내 실제 송, 배수시스템에 적용하여 각각의 골격화 방법을 비교, 분석하였다.
대상 데이터
본 연구에서 제시한 골격화 기법을 국내에서 실제로 운영되고 있는 송, 배수 시스템에 적용하였으며, 적용된 관망은 Table 1에 정리한 바와 같이 정수장(Reservoir), 배수지(Tank), 펌프(Pump) 각각 1개소와 173개의 절점, 185개의 관로로 구성되어 있다. 해당 관망의 모식도는 Fig.
데이터처리
실제 상수관망 시스템의 수요량은 시간에 따라 변화하므로, 본 절에서는 시간별 수요패턴(Demand Pattern)을 고려하여 골격화 전, 후 수리 및 수질 해석 결과를 비교, 분석하였다. 수요 패턴을 고려함으로써 보다 현실적인 모의가 가능할 것으로 판단되며, 따라서 네 가지 골격화 기법의 시간별 모의 결과를 원본 네트워크의 결과와 비교하였다.
성능/효과
등가 관 공식을 적용하여 수압균등, 수질균등, 수압 및 수질균등 등 모두 4가지 골격화 기법을 제시하고 실제 관망에 적용하였다. 각 기법을 통해 구해진 골격화 네트워크를 이용하여 고정수요량 모의 및 변동수요량 모의를 실시하였으며, 원본 네트워크와의 수압 및 수령 비교를 통해 제안된 골격화 기법의 적용가능성을 분석하였다. 실제 시스템을 대상으로 실시한 연구결과를 요약하고 분석된 결론을 정리하면 다음과 같다.
골격화 전, 후 수리해석 시간을 비교한 결과, 원본 네트워크의 수리해석을 EPANET을 이용하여 10,000번 반복 수행하였을 경우 계산시간이 약 1,332초(약 22분) 소요된 반면, 골격화를 진행한 Case1, 2, 3, 4의 경우 각각 458.8초, 458.1초, 471.7초, 468.4초로 평균 약 65% 감소하는 것으로 나타났다. 이는 골격화에 따른 절점과 관로 수의 감소율과 유사한 결과이며 이러한 수리해석 시간의 감소는 계산 시간이 중요한 실시간 모의에서 큰 도움이 될 것이다.
등가 관 공식을 적용하여 직렬 관로의 통합을 통해 원본 네트워크 대비 골격화 후 절점과 관로의 수가 약 65% 감소하였다.
절점 별 분석에 따르면, 정수지/배수지로부터 원거리의 절점, 해당 절점까지의 경로에 많은 관로를 보유한 절점이 골격화에 따른 오차가 상대적으로 크게 발생하는 것을 알 수 있다. 또한, 본 연구에서 제안한 기법은 직렬 관로의 통합을 통한 시스템의 간략화이기 때문에 망(loop)이 다수 존재하는 시스템에서는 오차가 크게 발생할 가능성이 있다.
제안된 4가지 기법 중에서는 등가 관경과 등가 조도계수를 순차적으로 산정하여 수압과 수질기준을 동시에 만족하는 Case 3 방법이 가장 효율적인 골격화 방법임을 알 수 있다.
후속연구
또한, 골격화 네트워크의 활용목적(실시간 최적 운영방안 수립, 시스템 확장계획 수립 등)에 따라 다양한 골격화 기법이 개발되어야 할 것으로 판단된다. 기술적으로는, 시스템의 골격화에 소요되는 계산시간을 단축할 수 있는 알고리즘 개발도 추후에 연구가 진행되어야 할 것으로 사료된다.
앞으로의 연구에서는 본 연구에서 제안된 기법을 보다 개선하여, 대규모 망형 시스템으로 적용범위를 확대할 계획이다. 또한, 골격화 네트워크의 활용목적(실시간 최적 운영방안 수립, 시스템 확장계획 수립 등)에 따라 다양한 골격화 기법이 개발되어야 할 것으로 판단된다. 기술적으로는, 시스템의 골격화에 소요되는 계산시간을 단축할 수 있는 알고리즘 개발도 추후에 연구가 진행되어야 할 것으로 사료된다.
등가 관 공식을 이용하여 시스템 내 수압(Pressure)을 기준으로 골격화 하는 경우와 수질(Water Age)을 기준으로 골격화 하는 경우, 그리고 두 가지 인자를 동시에 고려한 골격화 방안을 제시하고 각각의 결과에 대해서 분석하였다. 본 연구를 통해 대규모 상수관망의 시뮬레이션과 최적화 모형 적용에 있어 제약이 되었던 계산시간 문제를 효과적으로 개선할 수 있을 것으로 기대한다.
앞으로의 연구에서는 본 연구에서 제안된 기법을 보다 개선하여, 대규모 망형 시스템으로 적용범위를 확대할 계획이다. 또한, 골격화 네트워크의 활용목적(실시간 최적 운영방안 수립, 시스템 확장계획 수립 등)에 따라 다양한 골격화 기법이 개발되어야 할 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
국내의 상수관망의 간략화 연구 한계점은?
국내의 경우, Lee (2004)에서 상수관망의 간략화에 대해 다룬 바가 있다. 해당 연구에서 몇 가지 간략화 방법에 대한 검토를 하였으나, 체계적인 방법론이 제시되지 않아 해당 골격화 기법을 다른 관망에 적용하기에 무리가 있는 것으로 판단된다. 이렇듯 복잡한 상수관망의 골격화에 대한 필요성은 인지하고 있으나, 범용으로 적용 가능한 기법 제시 및 실제 시스템에 적용한 연구는 부족한 실정이다.
상수관망 시스템은 무엇인가?
상수관망 시스템은 인간의 생활에 필수적인 음용수를 안전하게 공급하기 위한 사회기반시설물이다. 우리나라의 상수도 보급률은 해마다 증가하고 있으며, 이에 따라 상수관망 시스템의 규모 또한 점차 확대되고 있다(KOSIS, 2012) 최근 들어, 이러한 상수관망 시스템의 발전과 규모의 거대화에 따라 시스템 운영에 소요되는 에너지의 절감에 대한 필요성이 대두되고 있다.
상수관망 시스템의 소요 에너지 절감을 위한 방안은?
상수관망 시스템의 소요 에너지 절감을 위한 방안으로는 관망 내 누수 방지 및 저감, 관로 내 잉여 에너지 회수, 펌프장 최적운영 등이 있다. 관망 내 누수 문제는 용수의 손실뿐만 아니라 압력 손실로 인한 추가 에너지 소비를 유발하기 때문에 에너지 절감을 위해 반드시 해결되어야 하는 문제이다.
참고문헌 (7)
Eggener, C.L., and Polkowski, L. (1976). "Network Modeling and the Impact of Modeling Assumptions." Journal of the American Water Works Association, Vol. 68, No. 4, pp. 189-196.
EPANET2 User's Manual. United States Environmental Protection Agency. 2000.
Jung, B., Boulos, P.F., and Wood, D.J. (2007). "Impacts of Skeletonization on Distribution System Hydraulic Transient Models." World Environmental and Water Resources Congress 2007: Restoring Our Natural Habitat. American Society of Civil Engineers.
KOSIS, Korean Statistical Information Service, Statistics Report of the Waterworks, 2012. (http://kosis.kr/wnsearch/totalSearch.jsp)
Lee, J.P. (2004). Trasient Analysis Using Skeletonization Method in Pipeline System. Department of Environmental Engineering Graduate School, Pusan National University, Busan, Korea. pp. 53-87.
MATLAB User's Manual. The MathWorks, Inc. 2000.
Raczynski, A., Kirkpatrick, W., Rehnstrom, D., Boulos, P., and Lansey, K. (2008). "Developing Hydraulic and Water Quality Equivalent Systems." Proceedings of the 10th Annual Water Distribution Systems Analysis Conference WDSA2008. August 17-20, 2008, Kruger National Park, South Africa.
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