[논문]물 공급시설의 지진재해 신뢰성 제고를 위한 관로 최적 설계 프로그램-REVAS.NET_Design

유도근; 정동휘; 강두선; 김중훈

물 공급시설의 지진재해 신뢰성 제고를 위한 관로 최적 설계 프로그램-REVAS.NET_Design 원문보기

물과 미래 : 한국수자원학회지 = Water for future, v.49 no.4, 2016년, pp.64 - 74

유도근 (고려대학교 공과대학 방재과학기술연구소) , 정동휘 (고려대학교 공과대학 방재과학기술연구소) , 강두선 (경희대학교 사회기반시스템공학과) , 김중훈 (고려대학교 건축사회환경공학부)

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AI 본문요약
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문제 정의

본 학술기사에서 제시하고 있는 내용은 지진피해 경감을 위한 사전 보강의 관점에서의 조치계획에 중점을 두고 있다. 본고에서는 물공급시설의 지진재해 신뢰성 제고를 위한 관로 최적 설계 프로그램인 REVAS. NET_Design (Reliability EVAluation model of Seismic hazard for water supply NETworks_Design)의 이론적 배경과 구동절차에 대해 설명하고, 간단한 적용 예를 소개하고자 한다.
일반적인 관로 시스템 최적설계는 모든 절점의 최소요구수두 기준을 만족시키는 동시에 관로 공사비용을 최소화하는 것을 목적으로 한다. 따라서 본 연구에서는 식 (2)와 같이 최소압력 기준과 공사비용을 모두 제약조건으로 고려하였다.
따라서 본 연구에서는 식 (2)와 같이 최소압력 기준과 공사비용을 모두 제약조건으로 고려하였다. 즉, 정상상태 시 모든 절점이 식 (2a)에 의해 최소 압력 기준을 반드시 만족해야 하며, 이와 동시에 식 (2b)와 같은 제한된 공사비 내에서 최대의 지진재해에 대한 신뢰성을 나타내는 관경의 조합을 찾아내는 것이 본 모형의 목적이다.

가설 설정

따라서 해당 관망의 중요도와 과거 지진이력 등을 바탕으로 적절한 지진의 강도와 위치가 설정되어야 한다. 본 연구에서는 일반적인 라이프 라인의 설계기준 (M 6 ~ M 6.5)를 초과하는 강도 M 7을 설계지진 강도로 설정하였으며, 위치의 경우 과거 적용지역에서 일어난 지진이 같은 위치에서 발생할 수 있다는 가정 하에, 과거 발생 위치자료를 바탕으로 최적설계를 수행하였다.

제안 방법

(2009) 등의 연구를 바탕으로 개발된 가장 최신의 물 공급망의 지진재해 신뢰성 평가 모형이다. GIS 기능과의 연동을 통하여 신뢰성 평가 결과를 시각적으로 구현하고 다양한 해석 기능을 제공한다. 특히 타 신뢰성 평가 모형들에 비하여 관로 파괴 모의 시 관종 별 파괴 형태를 다양하게 구분하여 세부적인 수리해석 모의가 가능하도록 하였다는 점에서 큰 장점을 지닌다.
모형의 구동을 위한 입력 인자인, 몬테카를로 시뮬레이션의 시행횟수는 사용된 과거 지진의 위치 및 개수가 29개임을 고려하여, 1,000번으로 결정 하였으며, J시 송배수 관로의 최소압력은 정상 상태의 최소 압력인 23m로 고려하였다. Revised Harmony Search (ReHS)에 사용되는 Harmony Memory Size는 30개로 설정하였으며, 최대 반복 횟수는 2,000번으로 결정하였다. ReHS에 사용 되는 목적함수에 따른 HMCR과 PAR의 변화 값은 각각 0.
모형의 구동을 위한 입력 인자인, 몬테카를로 시뮬레이션의 시행횟수는 사용된 과거 지진의 위치 및 개수가 29개임을 고려하여, 1,000번으로 결정 하였으며, J시 송배수 관로의 최소압력은 정상 상태의 최소 압력인 23m로 고려하였다. Revised Harmony Search (ReHS)에 사용되는 Harmony Memory Size는 30개로 설정하였으며, 최대 반복 횟수는 2,000번으로 결정하였다.
, 2001)를 이용하여 한정된 공사비 내에서 최대의 지진 재해 신뢰도를 갖는 최적의 관경 조합을 찾는 프로그램이다. 본 모형에서 사용되는 지진 발생 및 지진 재해에 따른 물 공급 시스템의 수리학적 신뢰도 계산이론 및 절차는 2013년 개발 된 바 있는, REVAS_NET 모형 (유도근 등, 2013, Yoo et al., 2016a)을 기반으로 하고 있으며, 추가적으로 목적함수 및 제약조건, 그리고 Revised HS 알고리즘 연동을 고려하여 구동되게 된다. REVAS.

대상 데이터

후보 상업용 관경의 경우 해당 관망의 최소 및 최대 관경의 범위를 포함하여 고려하고, K-water (2010)가 제시한바 있는 관경에 따른 공사비 자료를 이용하였다. 사용된 상업용 관경의 개수는 총 16개이다. K-water (2010)의 자료를 바탕으로, 현재 관경 조합에 의한 총 관로 공사비용은 약 1,036억 원으로 산정되었다.
05로 변하는 것으로 설정하였다. 후보 상업용 관경의 경우 해당 관망의 최소 및 최대 관경의 범위를 포함하여 고려하고, K-water (2010)가 제시한바 있는 관경에 따른 공사비 자료를 이용하였다. 사용된 상업용 관경의 개수는 총 16개이다.

이론/모형

본 연구에서는 최적해 도출을 위하여, 최적화 기법 중의 하나인 Harmony Search 기법을 사용하였다. HS는 화음 (harmony)이라는 인공적인 현상에서 영감을 얻어 만들어진 알고리즘으로 Geem et al.

성능/효과

2001). 그러나 HMCR과 PAR값들을 반복계산 과정 동안 하나로 고정하는 것보다는 변화를 주는 것이 최적해를 더 빨리 찾아는 것으로 확인되었고, ReHS에서는 HMCR과 PAR값 자체에 변화를 준다. 탐색초기에는 최적해에 가까운 값을 찾아가는 속도를 높이기 위해 낮은 HMCR값과 높은 PAR값을 적용하며 탐색이 진행됨에 따라 국지해에서 빠져 나오고 빠르게 최적해에 점근하기 위해 HMCR은 증가시키고 PAR은 감소시킨다.
NET_Design을 소개하고, 국내 실제 상수관망에 적용된 예를 간단히 살펴보았다. 본 모형의 활용을 통하여 지진재해에 대해 신뢰성을 높일 수 있는 관경 설계가 가능할 것으로 판단되며, 기존의 경제성뿐 만 아니라 신뢰성을 동시에 만족시킬 수 있다. 향후 본 연구를 기반으로 설계뿐 만 아니라 기존의 시스템을 지진재해에 강한 시스템으로 개량 및 강화시키는 전략수립으로도 개발이 가능할 것으로 판단된다.
9%의 향상된 결과를 도출하였다. 이와 동시에 시스템 신뢰도가 향상 되었음에도 불구하고 공사비 역시 현재의 공사비에 비해 1.3%가 감소된 것을 확인할 수 있다. 현재의 공사비를 제약조건으로 사용하였기 때문에, 현재의 공사비에 맞는 최적의 신뢰도는 더 커질 수도 있을 것이며, 본 연구결과의 신뢰도는 전역해가 아닐 수도 있다.
최적설계 결과의 비교를 위해, 현재 관망을 바탕으로 해당 시나리오를 수행하였을 경우 시스템의 신뢰도(SS)는 0.783으로 나타난다. 이 값은, 현재의 관망에 M 7의 지진이 발생할 경우, 정상상태의 기본 수요량 대비 약 78%만이 공급가능하다는 의미이다.

후속연구

다만, 국내의 경우 지진재해라는 것이 발생 빈도가 낮은 재해이므로, 오로지 지진재해만을 대비해서 신뢰도를 최대화 하는 것이 비현실적일 수 있다. 따라서, 본 개발된 모형이 기존 설계 및 개량기법의 인자로 포함되어 고려된다면, 타 토목시설물에 비하여 지진 재해에 대한 대비가 상대적으로 부족한 국내 물 공급 시설물에 대한 지진 대응 보완기법으로 활용이 가능하다.
물 공급 시설의 지진 피해 경감에 관한 연구는 크게 두 가지로 구분된다. 첫째, 지진 발생 직후 나타나는 시설물 붕괴에 따른 시스템의 기능상실 정도를 최소화하기 위한 사전 보강에 관한 연구와 둘째, 지진 발생 후 저하된 기능을 얼마나 신속하게 또는 계획된 기간 내에 정상적으로 복구시킬 수 있는가에 대한 연구로 구분된다. 일반적인 사전 보강은 계획 단계에서의 설계기법 및 유지관리 단계에서의 개량 전략으로 구분 가능하며, 사후 복구의 경우 복구에 필요한 자원 (인력, 장비 등)을 최적으로 투입하여 피해를 최소화할 수 있는 전략 연구에 초점이 맞춰져있다.
본 모형의 활용을 통하여 지진재해에 대해 신뢰성을 높일 수 있는 관경 설계가 가능할 것으로 판단되며, 기존의 경제성뿐 만 아니라 신뢰성을 동시에 만족시킬 수 있다. 향후 본 연구를 기반으로 설계뿐 만 아니라 기존의 시스템을 지진재해에 강한 시스템으로 개량 및 강화시키는 전략수립으로도 개발이 가능할 것으로 판단된다. 다만, 국내의 경우 지진재해라는 것이 발생 빈도가 낮은 재해이므로, 오로지 지진재해만을 대비해서 신뢰도를 최대화 하는 것이 비현실적일 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	ReHS의 가장 큰 특징은?	HS가 갖는 최적해 탐색 후반기의 탐색 속도와 관련된 문제를 해결하기 위해 ReHS에서는 HMCR과 PAR 적용 방법에 변화를 준다. ReHS의 가장 큰 특징은 반복계산과정이 진행됨에 따라 HMCR과 PAR값에 점차 변화를 주는 것과 다수의 화음과 매개변수에 대해 HMCR과 PAR을 적용하는 것이다. 일반적으로 HS에서는 HMCR은 0.
	본 연구에서 사용된 목적함수와 제약조건은?	본 연구에서 사용된 목적함수와 제약조건은 다음과 같다. 목적함수는 식 (1)과 같이, 신뢰성 인자로 상수관망 시스템에 적합하다고 알려진 System Serviceability (S S )를 최대화 하는 것으로 설정하였다. S S 는 지진 재해에 의한 시스템의 공급성을 평가하기 위한 인자로, 시스템 전체의 요구 기본 수요량 (Required demand)에 대한 실제 공급 가능량 (Available demand)의 비로 나타낸다. 이 값은 최소 0, 최대 1의 값을 가질수 있으며, 0의 값은 지진이 발생할 경우 요구되는 수요량을 전량 공급할 수 없음을 의미하며, 1의 값은 비정상상황의 발생 없이 요구량 전부가 공급될 수 있음을 의미한다.
	시스템의 신뢰도란?	그 결과를 정량화하기 위하여 신뢰성 인자를 사용하게 된다. 일반적으로 다양한 분야에서 광의적 개념으로 사용되고 있는 시스템의 신뢰도 (Reliability)는 시스템이 정상적으로 작동을 할 확률을 의미한다. 본 연구에서 사용된 목적함수와 제약조건은 다음과 같다.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

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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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