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피해파급에 대한 고찰을 통한 전력 및 상수도 네트워크의 강건성 예측
Robustness Estimation for Power and Water Supply Network : in the Context of Failure Propagation 원문보기

한국건설관리학회논문집 = Korean journal of construction engineering and management, v.19 no.3, 2018년, pp.33 - 42  

이슬비 (서울대학교 건축학과) ,  박문서 () ,  이현수 (서울대학교 건축학과)

초록
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손상된 라이프라인 시스템의 공공서비스 제공 지연 예측은 지진 대응 체계 마련의 첫 단계이다. 그러나 라이프라인 시스템의 서비스제공가능도는 개별 구조물의 물리적 손상뿐만 아니라 인접한 구조물들로부터의 피해파급에 의해 변동될 수 있다. 이에 본 연구는 라이프라인 시스템의 기능 저하를 유발하는 공통원인피해와 연쇄피해의 발생 확률을 추론하기 위해 베이지안 모형을 작성하고 피해의 인과관계를 고려하여 최종 수요자 중심의 네트워크 강건성을 평가하는 방안을 제시하였다. 또한 완화대책에 따른 네트워크 강건성을 분석하기 위해 국내 대구경북지역의 전력 및 상수도 시스템을 대상으로 지진 규모에 따른 공공서비스의 공급 지연 확률을 예측하였다. 그 결과 사례 지역의 경우 안정적인 전력과 상수 수급을 위해 라이프라인 네트워크를 구성하는 노드들 간 피해파급을 저감하는 것이 효과적임을 확인하였다. 본 연구는 지진 피해 진단의 다양한 불확실성 간 인과관계를 도식화하였다는 데에 의의가 있으며, 지속 가능한 공공서비스 확보를 위한 지역단위 대책 수립을 지원할 수 있을 것으로 기대된다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

In the aftermath of an earthquake, seismic-damaged infrastructure systems loss estimation is the first step for the disaster response. However, lifeline systems' ability to supply service can be volatile by external factors such as disturbances of nearby facilities, and not by own physical issue. Th...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 또한 본 연구가 라이프라인 피해파급의 인과관계에 따른 연쇄피해를 예측하는 것을 목적으로 하고 있는 만큼, 전문가 5인이 공통적으로 피해파급을 완화시킬 수 있는 대책을 제안 하는 것이 연구의 기여를 높일 수 있는 방안이 될 것이라는 의견을 제시하였으며, 이에 다음 절과 같이 완화대책에 따른 네트워크의 강건성 변화 추이를 살펴보고자 한다.
  • 본 연구는 라이프라인 시스템의 기능 저하를 유발하는 피해 사건을 기준에 따라 분류하고, 각 사건 간 인과관계를 표현하는 베이지안(Bayesian) 모형을 작성한다. 또한 지진에 따른 개별 구조물의 피해발생확률, 상호의존에 의한 피해파급 발생확률을 추정하여 최종적으로 서비스 제공 측면에서의 네트워크 강건성(Robustness) 평가방안을 제시하는 것을 목적으로 한다.
  • 본 연구는 라이프라인시스템을 지역사회의 기본생활 영위를 위한 필수 공공서비스인 전기와 물을 공급하는 전력 및 상수도 네트워크로 한정하고 각 네트워크의 구성 요소 중 주요 시설물에 해당하는 발전소, 변전소, 정수장, 가압장에 한하여 지진 발생 직후의 서비스제공가능도를 평가한다. 이때 발생 가능한 피해는 공통원인피해, 연쇄피해이며 송배전선로나 송배수관로에서의 피해는 없는 것으로 가정한다.
  • 본 연구는 이와 같은 선행연구를 한 단계 확장하여 단일 네트워크 내 구성요소 간 피해파급 뿐만 아니라, 서로 다른 네트워크 간 의존(예: 상수도 시스템을 작동하기 위해 전기의 공급이 필요함)으로 인한 피해파급을 고려하여 지역단위 라이프라인 네트워크의 강건성을 예측한다.
  • 본 연구는 지진으로 인한 지반거동, 개별 구조물의 취약도, 노드 간 상호의존성 등 다양한 차원의 불확실성간의 인과관계를 도식화하고 확률론적으로 네트워크의 강건성을 추정하는 방안을 제시함으로써 학술적인 의의가 있다. 또한 지진 발생 이전에 공공서비스 수급 저하 예측을 가능하게 함으로써 지속가능한 공공서비스 확보를 위한 지역단위 대책 수립을 지원할 수 있다.
  • 본 연구에서는 2008년 한국원자력연구원에서 국내 변전소의 지진응답해석을 통해 개발한 지진 취약도 함수를 사용하여 지반거동으로 인한 변전소 초기 기능저하를 평가한다. 국내 적합한 사례 연구가 없는 발전소, 정수장, 가압장의 경우 FEMA (2003)가 과거 지진 당시 피해 이력 데이터를 바탕으로 추정한 지진 취약도 함수를 준용한다.
  • 본 연구에서는 비교적 지진이 빈번하게 발생하는 미 서부 지역(Atkinson & Silva, 2000)과 일본(Kanno et al., 2006)을 대상으로 개발된 감쇠식과, 국내 연구자들에 의해 개발된 감쇠식(Jo & Baag, 2003; Yun et al., 2009; Oh & Shin, 2013) 총 5가지를 통해 추정되는 PGA값의 평균을 대푯값으로 사용하고자 한다.
  • 라이프라인 시스템을 구성하는 임의의 구조물의 상태가 같은 시스템 또는 다른 시스템의 구조물의 상태에 영향을 주거나 받는 양방향의 관계일 때 두 구조물은 상호 의존한다고할 수 있다(Rinaldi, 2001). 본 연구에서는 특히 두 노드가 물리적으로 연결되어 있고 하나의 산출물이 다른 것의 기능 수행을 위한 투입물이 될 때 의존한다고 정의한다. 예를 들어 [Fig.
  • 지진은 발생, 전파, 구조물 거동까지 각 단계별 필연적인 불확실성을 내포하기 때문에, 지진 피해 예측을 위해서 정해진 설계 기간 동안 임의의 규모를 갖는 지진에 의하여 임의의 구조물이 붕괴 방지 수준을 초과할 확률을 추정하는 확률론적 분석방법이 사용된다(Kircher, 2006). 본 장에서는 구조물이 위치한 지점에서의 최대지반가속도(Peak Ground Acceleration, PGA)를 입력변수로 하여 라이프라인 개별 구조물의 피해를 예측하는 지진취약도함수와 구조물 간 상호 의존성 평가에 관한 선행 연구를 고찰하고, 네트워크 강건성의 개념을 정의하여 본 연구의 이론적 기틀을 마련한다.

가설 설정

  • 그 외에 점선으로 표시된 사건 간발생 확률은 본 모형의 최종목적함수인 전력 또는 상수의 제공 불능(Inoperability) 사후확률을 추정하기 위한 조건부 확률을 나타낸다. 다만 국내의 경우 원자력발전소가 대부분 해안가에 위치하여 냉각수 공급이 자력으로 가능하고, 본 연구에서 지진 직후 발생 가능한 피해를 공통원인피해와 연쇄 피해로 한정하였기 때문에 냉각수 공급량 저하의 발생 확률 P(RCW)는 0으로 가정한다.
  • 5]의 18번 노드) 하나로 한정하며 그 외의 전력 교환은 닫힌계로 가정한다. 또한 구성요소의 종류가 같은 경우 지진에 의하여 같은 구조적 거동을 갖는다고 가정하며, 연결경로는 전력 전달 시 손실을 최소화하기 위하여 최단 직선거리로 가정한다.
  • 본 연구는 라이프라인시스템을 지역사회의 기본생활 영위를 위한 필수 공공서비스인 전기와 물을 공급하는 전력 및 상수도 네트워크로 한정하고 각 네트워크의 구성 요소 중 주요 시설물에 해당하는 발전소, 변전소, 정수장, 가압장에 한하여 지진 발생 직후의 서비스제공가능도를 평가한다. 이때 발생 가능한 피해는 공통원인피해, 연쇄피해이며 송배전선로나 송배수관로에서의 피해는 없는 것으로 가정한다.
  • 5]의 7번~17번 노드)으로 구성된다. 지역 외부로부터의 전력 공급원은 북경남변전소([Fig. 5]의 18번 노드) 하나로 한정하며 그 외의 전력 교환은 닫힌계로 가정한다. 또한 구성요소의 종류가 같은 경우 지진에 의하여 같은 구조적 거동을 갖는다고 가정하며, 연결경로는 전력 전달 시 손실을 최소화하기 위하여 최단 직선거리로 가정한다.
  • 다음으로 연쇄피해항목(RPI, RPO)을 구하기 위해서는 각노드들 간 상호의존도를 알아야 한다. 특정 노드의 의존도는 앞서 정의한 것과 같이 상위노드로부터 전달되는 Input에 비례하는데 본 사례 분석에서는 발전소의 일일 발전량을 넘지 않는 한도 내에서 전기가 전달되는 모든 가능한 경로를 선정 하고 그 경로가 두 가지 이상일 경우 Input값은 연결 경로의 거리와 반비례한다고 가정하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
라이프라인 시스템의 단점은? 이에 정부는 사회기반시설 관련 예산 투자 방향을 신규 시설 건설에서 유지보수와 안정성확보 측면으로 전환하였으며, 지난 2016년 9월 경주 지진 직후에는 영남지역에 위치한 5,312 개 사회기반시설에 대하여 내진성능 점검을 수행하였다. 그러나 전력, 가스, 상하수도 등 사회기반시설 가운데 광범 위한 지역에 분산된 네트워크적 특성을 갖고 있는 라이프라인 시스템(Lifeline System)의 경우 재난 발생 이후에 직접 현장을 방문하여 손상을 평가하는 것은 막대한 시간과 비용이 소요된다(Zio & Piccinelli, 2010; Dunn & Wilkinson, 2013).실제로 2015년 4월 네팔 지진 당시 사망자 또는 붕괴된 주택 수의 경우 지진 발생 이후 수주 이내에 집계된 반면 라이프라인 시스템 손상으로 인한 정전 피해나 식수 제한 등 공공서비 스의 지연은 파악에 어려움이 있었다(Goda et al.
서비 스제공가능도란 무엇인가? 이러한 배경에서 재난 이전 보통의 상태에서 서비스 공급 량을 100%로 기준하여 기능저하를 판단하는 개념인 서비 스제공가능도(Serviceability)가 등장했다. 미연방재난관리 청(Federal Emergency Management Agency, FEMA)에서 개발한 지진 취약도 함수가 서비스제공가능도 측정의 대표적 예이다.
서비 스제공가능도가 등장한 원인은? , 2015). 라이프라인 시스템의 피해 진단을 위해서는 구조물이 얼마나 무너졌는가의 물리적 손상(Physical Damage)이 아닌, 시스 템이 의도로 했던 서비스를 제공할 수 있는 능력이 얼마나 감소되었는가의 기능적 저하(Functional Loss)로의 접근이 필요하기 때문이다(Kawakami, 1990).
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참고문헌 (26)

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