[논문]비정상 물공급 시나리오를 고려한 상수도관망 최적 밸브위치 결정

이승엽; 정동휘

doi:10.3741/jkwra.2019.52.10.719

비정상 물공급 시나리오를 고려한 상수도관망 최적 밸브위치 결정
Optimal valve installation of water distribution network considering abnormal water supply scenarios 원문보기

Journal of Korea Water Resources Association = 한국수자원학회논문집, v.52 no.10, 2019년, pp.719 - 728

이승엽 (애리조나대학교 건축토목공학과) , 정동휘 (계명대학교 토목공학과)

초록
AI-Helper

상수도 관망 밸브는 평상시 관로의 유향을 변경하는 역할을 하지만, 관로 파손, 수질 문제 등 사고 발생 시 해당 구역을 격리하는데에도 이용된다. 밸브조작에 의한 구역 단수는 주변 지역의 압력 및 물 공급 성능 저하를 유발한다. 최근 안정적인 상수도 관망 물 공급을 위협하는 사고가 다양하고 빈번하게 발생하고 있으며, 이에 따라 다양한 시나리오를 고려하여 밸브 위치 결정을 하는 것이 필요하다고 할 수 있다. 따라서 본 연구에서는 밸브의 개수, 구역격리 시 물 부족량, 수리학적 거리 인자(Hydraulic Geodesic Index, HGI)를 통합한 목적함수를 개발하고, 다양한 물 부족 시나리오에 기반한 밸브 최적 위치 결정 방법론을 제안한다. 제안한 방법론은 페스카라 관망에 적용되었으며, 시나리오별로 도출된 최적 밸브 설계안의 차이점을 분석하였다. 최적 밸브 위치 탐색 과정 중 수행된 관망 수리해석은 압력 기반(Pressure Driven Analysis, PDA)으로 수행하였다. 개발된 방법론으로 도출한 최적 밸브 설계안은 기존 설계안 대비 밸브 개수가 최대 19개나 적었고, 세그먼트 격리 시 물 공급 부족량 또한 상대적으로 작았다. 수원 수두가 낮은 시나리오를 고려할수록 더 많은 밸브가 설치되었는데, 밸브 추가 설치에 따른 비용증가는 다양한 시나리오에서 물 공급 성능 향상으로 이어짐을 확인하였다. 또한, 세그먼트 격리 상황 모의를 압력 및 유량 기반 해석으로 수행한 결과를 비교하여, 밸브 최적 위치 설계 수행 시 압력 기반 해석이 필요함을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Valve in water distribution network (WDN), that controls the flow in pipes, is used to isolate a segment (a part of WDN) under abnormal water supply conditions (e.g., pipe breakage, water quality failure event). The segment isolation degrades pressure and water serviceability in neighboring area during the water service outage of the segment. Recent hydraulic and water quality failure events reported encouraging WDN valve installation based on various abnormal water supply scenarios. This study introduces a scenario-based optimal valve installation approach to optimize the number of valves, the amount of undelivered water, and a shortest water supply path indicator (i.e., Hydraulic Geodesic Index). The proposed approach is demonstrated in the valve installation of Pescara network, and the optimal valve sets are obtained under multiple scenarios and compared to the existing valve set. Pressure-driven analysis (PDA) scheme is used for a network hydraulic simulation. The optimal valve set derived from the proposed method has 19 fewer valves than the existing valve set in the network and the amount of undelivered water was also lower for the optimal valve set. Reducing the reservoir head requires a greater number of valves to achieve the similar functionality of the WDN with the optimal valve set of the original reservoir head. This study also compared the results of demand-driven analysis (DDA) and the PDA and confirmed that the latter is required for optimal valve installation.

주제어

표/그림 (7)

그림 Fig. 1. A schematic of Pescara Network showing the area with a half of total system demands and the only connection pipe to other network segments
표 Table 1. Total head (in meter) of three reservoirs considered in Scenario A and B
그림 Fig. 2. An Illustration of demand nodes sharing the common Min HG pathways for their HG calculation
표 Table 2. Summary of the number of segments and valves and minimum SHGI and reliability results of the original and optimal solutions in the Pascara network
표 Table 3. Summary of total unmet demand calculated under the isolation of each segment with demand driven analysis (DDA) and pressure driven analysis (PDA)
그림 Fig. 3. Common segment locations of Solution A and B (obtained under Scenario A and B in Table 1, respectively)
표 Table 4. Summary of reliability results of Solution A and B

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

따라서, 본 연구에서는 시나리오에 기반한 밸브의 최적 위치를 결정하는 방법론을 소개한다. 밸브의 최적 위치는 그래프 이론 기반의 인자인 수리학적 거리 인자(Hydraulic Geodesic Index, HGI)와 밸브의 개수, 격리 시 물 부족분(신뢰성)에 동등한 가중치를 부여하여 구축한 단일 목적함수로 결정하였다.
밸브의 최적 위치 선정 시 밸브 개수 최소화, 격리 시 최대물 부족분 최소화(신뢰성), 그리고 최소 SHGI 최대화 총 3가지를 고려하여 진행하였다. 밸브 개수는 비용을 고려하는 방법으로 적은 개수로 최대의 효율을 내기 위해서 고려해 주었으며, 격리 시 최대 물 부족분 최소화는 격리로 인한 단수 피해를 최소화하기 위한 목적으로 고려하였다. 최대 물 부족분은 신뢰성으로 고려해 주었고, 신뢰성은 총 요구 수요량 대비 전달된 수요량으로 산정한다.
Lee and Jung (2018)의 연구에서 SNSP가 에너지 효율 및 여러 회복력 인자들과 높은 상관관계를 나타냄을 보인 바 있으며, 다른 그래프 이론의 인자들과도 상수도 관망의 구조적 변형(관의 파손과 같은)이 생길 시 변화하는 경향성이 같음을 검증하였다. 본 연구에서 사용한 SNSP의 수정 버전인 SHGI 또한 동일한 경향성이 있음을 확인하였고, SHGI의 변동에 따른 에너지 효율 및 여러 회복력 인자와 그래프 이론 인자들의 변동을 간접적으로 고려하고자 한다.
SNSP는 에너지 효율 및 회복력과 상관관계가 높은 것으로 확인되었으며, 동일한 개념인 수리학적 거리 인자 또한 동일한 상관관계를 가지는 것으로 확인되었다. 본 연구에서는 가뭄으로 인한 물 공급원 (수원)에 이상이 생긴 경우를 시나리오로 설정하였고, 수리해석 시 EPANET 상 수원(reservoir)의 수두를 조절하는 것으로 모의를 하였다. 수두 조건은 수원의 기존 수두 조건과 수원의 수두 저감 조건 총 두 가지를 고려하였으며, 결과 비교 및 분석을 통해 시나리오의 필요성을 확인하였다.
본 연구에서는 기후 변화와 같은 교란으로 인해 발생할 수있는 가뭄 시 수원에서의 물 부족을 모의하기 위해 페스카라 관망의 총 세 개 수원의 수두를 조정하였다. 수원 수두 조건 시나리오는 총 두 가지로, 기존 수두 유지하여 모의하는 Scenario A와 모든 수원의 수두를 동일하게 10% 감소하여 모의하는 Scenario B로 설정하였다.
본 연구에서는 시나리오에 기반한 밸브 최적 위치를 결정 방법론을 소개하였다. 소개한 방법론은 밸브의 개수, 격리 시 물 부족분, 그리고 SHGI에 동등한 가중치를 부여하여 단일 목적함수로 만든 후 최적화를 진행하였다.
본 연구의 목적은 다중 시나리오의 고려 시 결정된 밸브 최적 위치를 비교하여 시나리오의 필요성을 확인하는 것이다. 최적화를 위해 가중 그래프 이론에 근간한 수리학적 거리 인자와, 신뢰성, 밸브의 개수 세 가지 고려사항을 균등하게 가중치를 부여하여 단일 목적함수로 구축하였다.
, 2018), 이는 기존 화음탐색법(Harmony Search)의 매개변수의 적용을 수정한 모형이다. 본 절에서는 밸브 위치에 따른 세그먼트 식별 모형, 수리학적 거리 인자, 그리고 목적 함수를 소개한다. 본 연구에서 개발한 모형은 Python으로 작성이 되었다.
본 절에서는 본 연구에서 사용한 수리학적 거리 인자의 정의 및 정량법을 소개한다. 수리학적 거리 인자는 그 모태인 SNSP와 의미 면에서는 동일하며 상세한 SNSP의 배경은 Lee and Jung (2018)에서 확인할 수 있다.
또한 SHGI와 Rel의 i는 0에서 세그먼트의 총 개수까지의 숫자로, 각 세그먼트 격리 시 산정된 SHGI와 신뢰성을 의미한다. 즉, 밸브의 개수를 줄이며 결정된 밸브의 위치에서 세그먼트 격리 별로 산정된 SHGI와 신뢰성 중 최소치를 최대화하는 것이 목적함수의 목표이다. 본 연구에서는 압력 기반 해석으로 수리해석을 진행하기에 별도의 압력 제약 조건을 고려하지는 않았다.

가설 설정

즉, 밸브의 개수를 줄이며 결정된 밸브의 위치에서 세그먼트 격리 별로 산정된 SHGI와 신뢰성 중 최소치를 최대화하는 것이 목적함수의 목표이다. 본 연구에서는 압력 기반 해석으로 수리해석을 진행하기에 별도의 압력 제약 조건을 고려하지는 않았다.
최소 수압 조건은 15 m로 모든 수용가에 동일하게 적용된다. 최적 설계 전 기존 밸브 위치는 Choi et al. (2018)에서 제공한 정보로 가정하였다.

제안 방법

마지막으로 두 밸브 설계안의 동일한 조건 하 비교를 위해각 밸브 설계안을 수원의 수두 조건 시나리오에 교차 적용(예, Solution B에 Scenario A를 적용)하였고 그 결과가 Table 4에 정리되어 있다. SHGI는 밸브 설계안에 대해서는 변하지만, 수두 조건 시나리오에 따라 변하지 않음으로 비교 대상으로 고려하지 않았으며, 신뢰성 결과만 비교하였다. 비교 분석 결과 각 최소 신뢰성의 경우 두 밸브 설계안 모두에서 2번 수원이 격리된 경우에 발생하였으며, Fig.
수원의 수두 조건은 Table 1에 나타난 것과 같다. 각 수원의 수두 조건 시나리오는 독립적으로 적용, 최적 밸브의 수와 위치를 결정하였다.
제안한 방법론을 페스카라 관망에 적용하였으며, 총 두 가지 수원 수두 조건 시나리오를 고려하여 시나리오별 밸브 설계의 차이점을 알아보았다. 또한, 유량 기반 해석의 비정상 상태에서의 적용 한계를 해결하기 위해 압력 기반 해석으로 확장된 EPANET을 사용 하여 세그먼트 격리 시 의도치 않은 압력 저감으로 발생 가능한 물 부족분에 대해 분석 하였다.
밸브의 최적 위치는 그래프 이론 기반의 인자인 수리학적 거리 인자(Hydraulic Geodesic Index, HGI)와 밸브의 개수, 격리 시 물 부족분(신뢰성)에 동등한 가중치를 부여하여 구축한 단일 목적함수로 결정하였다. 밸브의 개수는 모든 밸브의 비용이 동일하다는 가정하에 적은 수의 밸브가 적은 비용임을 반영하기 위해 사용하였으며, 격리 시 물 부족분은 EPANET의 압력 기반 해석 확장 버전을 사용하여 산정하였다. 수리학적 거리 인자는 Lee and Jung (2018)에서 소개한 SNSP (Source-to-Node Shortest Pathway)와 동일한 가정과 개념이지만, 개념에 대한 의미의 효율적 전달을 위해 인자의 이름이 수정되었다.
밸브의 최적 위치 선정 시 밸브 개수 최소화, 격리 시 최대물 부족분 최소화(신뢰성), 그리고 최소 SHGI 최대화 총 3가지를 고려하여 진행하였다. 밸브 개수는 비용을 고려하는 방법으로 적은 개수로 최대의 효율을 내기 위해서 고려해 주었으며, 격리 시 최대 물 부족분 최소화는 격리로 인한 단수 피해를 최소화하기 위한 목적으로 고려하였다.
따라서, 본 연구에서는 시나리오에 기반한 밸브의 최적 위치를 결정하는 방법론을 소개한다. 밸브의 최적 위치는 그래프 이론 기반의 인자인 수리학적 거리 인자(Hydraulic Geodesic Index, HGI)와 밸브의 개수, 격리 시 물 부족분(신뢰성)에 동등한 가중치를 부여하여 구축한 단일 목적함수로 결정하였다. 밸브의 개수는 모든 밸브의 비용이 동일하다는 가정하에 적은 수의 밸브가 적은 비용임을 반영하기 위해 사용하였으며, 격리 시 물 부족분은 EPANET의 압력 기반 해석 확장 버전을 사용하여 산정하였다.
본 절에서는 밸브 위치에 따른 세그먼트 식별 모형, 수리학적 거리 인자, 그리고 목적 함수를 소개한다. 본 연구에서 개발한 모형은 Python으로 작성이 되었다.
본 연구에서는 밸브의 위치를 결정하기에, Node-Arc 행렬에서 1로 저장된 부분이 밸브가 설치될 수 있는 위치 후보군으로 고려되며, 위치 후보군 내에서 실제 밸브 위치를 최적화 모형으로 결정 후 Valve location 행렬을 구축한다.
본 연구에서는 시나리오에 기반한 밸브 최적 위치를 결정 방법론을 소개하였다. 소개한 방법론은 밸브의 개수, 격리 시 물 부족분, 그리고 SHGI에 동등한 가중치를 부여하여 단일 목적함수로 만든 후 최적화를 진행하였다. 제안한 방법론을 페스카라 관망에 적용하였으며, 총 두 가지 수원 수두 조건 시나리오를 고려하여 시나리오별 밸브 설계의 차이점을 알아보았다.
본 연구에서는 가뭄으로 인한 물 공급원 (수원)에 이상이 생긴 경우를 시나리오로 설정하였고, 수리해석 시 EPANET 상 수원(reservoir)의 수두를 조절하는 것으로 모의를 하였다. 수두 조건은 수원의 기존 수두 조건과 수원의 수두 저감 조건 총 두 가지를 고려하였으며, 결과 비교 및 분석을 통해 시나리오의 필요성을 확인하였다.
본 연구에서는 기후 변화와 같은 교란으로 인해 발생할 수있는 가뭄 시 수원에서의 물 부족을 모의하기 위해 페스카라 관망의 총 세 개 수원의 수두를 조정하였다. 수원 수두 조건 시나리오는 총 두 가지로, 기존 수두 유지하여 모의하는 Scenario A와 모든 수원의 수두를 동일하게 10% 감소하여 모의하는 Scenario B로 설정하였다. 수원의 수두 조건은 Table 1에 나타난 것과 같다.
앞서 언급한 것과 같이, 본 연구에서는 기존의 연구와는 달리 비정상상태에서의 수리 해석을 위해 유량 기반 해석 대신 압력 기반 해석 버전의 EPANET을 기반으로 수리 해석을 진행하였다. Table 3은 유량 기반 해석과 압력 기반 해석에서 물공급 부족분 결과를 요약한다.
소개한 방법론은 밸브의 개수, 격리 시 물 부족분, 그리고 SHGI에 동등한 가중치를 부여하여 단일 목적함수로 만든 후 최적화를 진행하였다. 제안한 방법론을 페스카라 관망에 적용하였으며, 총 두 가지 수원 수두 조건 시나리오를 고려하여 시나리오별 밸브 설계의 차이점을 알아보았다. 또한, 유량 기반 해석의 비정상 상태에서의 적용 한계를 해결하기 위해 압력 기반 해석으로 확장된 EPANET을 사용 하여 세그먼트 격리 시 의도치 않은 압력 저감으로 발생 가능한 물 부족분에 대해 분석 하였다.
최적화 진행 중 각 밸브 위치 후보군이 결정되면 결정된 밸브 위치에 따른 세그먼트를 파악한 후 각 세그먼트 격리 시 SHGI와 신뢰성을 독립적으로 산정한다. 결정된 밸브의 개수와 계산된 각 인자를 기반으로 Eq.
본 연구의 목적은 다중 시나리오의 고려 시 결정된 밸브 최적 위치를 비교하여 시나리오의 필요성을 확인하는 것이다. 최적화를 위해 가중 그래프 이론에 근간한 수리학적 거리 인자와, 신뢰성, 밸브의 개수 세 가지 고려사항을 균등하게 가중치를 부여하여 단일 목적함수로 구축하였다. 최적화 모형은 Revised Harmony Search (ReHS)를 사용하였으며(Lee et al.

데이터처리

SHGI는 밸브 설계안에 대해서는 변하지만, 수두 조건 시나리오에 따라 변하지 않음으로 비교 대상으로 고려하지 않았으며, 신뢰성 결과만 비교하였다. 비교 분석 결과 각 최소 신뢰성의 경우 두 밸브 설계안 모두에서 2번 수원이 격리된 경우에 발생하였으며, Fig. 3에 확인한 것과 같이 두 밸브 설계안에서 동일하기에 추가로 신뢰성의 평균 신뢰 성과 신뢰성의 표준편차 또한 비교에 사용하였다. 동일한 설계안에서 다른 수원 수두 조건 시나리오의 비교 시에도 Scenario A가 최소 신뢰성은 물론 평균 신뢰성과 신뢰성의 표준편차에서도 조금 더 안정적인 값을 나타냄을 알 수 있다.
최대 물 부족분은 신뢰성으로 고려해 주었고, 신뢰성은 총 요구 수요량 대비 전달된 수요량으로 산정한다. 수리해석은 수리해석 프로그램인 EPANET을 사용하여 진행하였다. 본 연구에서 사용한 EPANET 모형은 세그먼트 격리 시 발생할 수 있는 비정상 상황에서 모의를 위해 소스 코드가 압력 기반 해석으로 수정된 모형을 사용하였다(Judi and McPherson, 2015).

이론/모형

관 별로 가중치를 산정 후, 수원과 수용가의 수리학적 거리를 Dijkstra의 최소거리 알고리즘을 토대로 산정할 수 있다 (Dijkstra, 1959). 앞서 언급했듯, 여기서 말하는 최소거리는 실제 거리와는 다른 것으로 수원에서 각 수용가에 이르기까지 손실되는 최소 에너지 정도(degree)로 해석할 수 있다.
수리해석은 수리해석 프로그램인 EPANET을 사용하여 진행하였다. 본 연구에서 사용한 EPANET 모형은 세그먼트 격리 시 발생할 수 있는 비정상 상황에서 모의를 위해 소스 코드가 압력 기반 해석으로 수정된 모형을 사용하였다(Judi and McPherson, 2015). 마지막으로 최소 SHGI 최대화는 격리 시에 수원과의 연결성을 극대화하기 위해 고려되었다.
본 연구에서 사용한 최적화 모형은 ReHS로 이는 기존 화음탐색법의 탐색 속도 향상을 위해 매개변수의 적용을 수정한 모형이다.
본 연구에서는 Jun et al. (2007a)에서 소개한 알고리즘을 통해 세그먼트를 정의하였다. 세그먼트의 결정에는 Node-Arc, Valve location과 Valve deficiency 총 세 개의 행렬의 구축이 필요하다.
상기 문헌들은 모두 유량 기반 해석(demand-driven analysis; DDA)에 근간한 EPANET 모형(Rossman, 2000)을 사용하여 설계를 진행하였고, 이에 따라 격리된 세그먼트의 요구 수요량(EPANET상의 Base demand)만큼이 물 공급 부족분으로 산정되었다. 하지만, 격리된 세그먼트 외 부분에서 최소 수압 조건이 만족하지 않으면 요구 수요량이 전달되지 않을 가능성이 있다(Creaco et al.

성능/효과

수리학적 거리 인자는 Lee and Jung (2018)에서 소개한 SNSP (Source-to-Node Shortest Pathway)와 동일한 가정과 개념이지만, 개념에 대한 의미의 효율적 전달을 위해 인자의 이름이 수정되었다. SNSP는 에너지 효율 및 회복력과 상관관계가 높은 것으로 확인되었으며, 동일한 개념인 수리학적 거리 인자 또한 동일한 상관관계를 가지는 것으로 확인되었다. 본 연구에서는 가뭄으로 인한 물 공급원 (수원)에 이상이 생긴 경우를 시나리오로 설정하였고, 수리해석 시 EPANET 상 수원(reservoir)의 수두를 조절하는 것으로 모의를 하였다.
Scenario A 조건에서의 밸브 최적 위치 결과(Solution A)는기존 67개의 밸브보다 적은 48개의 밸브를 결정하였으며, 세그먼트 또한 총 26개로 줄어든 것을 확인하였다. 감소한 밸브 개수와 세그먼트로도 최소 신뢰성은 동일한 것으로 나타났으며, 최소 SHGI의 경우 오히려 향상된 값(격리 전 SHGI 대비약 70% 감소)을 보였다.
Scenario A 조건에서의 밸브 최적 위치 결과(Solution A)는기존 67개의 밸브보다 적은 48개의 밸브를 결정하였으며, 세그먼트 또한 총 26개로 줄어든 것을 확인하였다. 감소한 밸브 개수와 세그먼트로도 최소 신뢰성은 동일한 것으로 나타났으며, 최소 SHGI의 경우 오히려 향상된 값(격리 전 SHGI 대비약 70% 감소)을 보였다. 즉 페스카라 관망의 경우 불필요하게 많은 밸브가 설치되어 있으며 최적 설계된 밸브 위치로 총 19개의 밸브를 줄여도 향상된 상수도 관망의 성능을 유지할 수 있을 것으로 보인다.
기존 페스카라 관망의 밸브 위치와 Solution A의 밸브 위치 에서 모두 2번 수원(Fig.1에서 좌측에 위치한 Reservoir 2)이격리될 경우에 가장 낮은 신뢰성이 산정되었다. Fig.
3에 확인한 것과 같이 두 밸브 설계안에서 동일하기에 추가로 신뢰성의 평균 신뢰 성과 신뢰성의 표준편차 또한 비교에 사용하였다. 동일한 설계안에서 다른 수원 수두 조건 시나리오의 비교 시에도 Scenario A가 최소 신뢰성은 물론 평균 신뢰성과 신뢰성의 표준편차에서도 조금 더 안정적인 값을 나타냄을 알 수 있다. 또한, 동일한 수원 수두 조건 시나리오에서 다른 설계안을 비교해보면, Solution B의 경우 앞서 확인했던 것과 같이 더 많은 수의 밸브가 있어야 평균 신뢰성 및 신뢰성의 표준편차를 안정적으로 유지할 수 있음을 알 수 있다.
동일한 설계안에서 다른 수원 수두 조건 시나리오의 비교 시에도 Scenario A가 최소 신뢰성은 물론 평균 신뢰성과 신뢰성의 표준편차에서도 조금 더 안정적인 값을 나타냄을 알 수 있다. 또한, 동일한 수원 수두 조건 시나리오에서 다른 설계안을 비교해보면, Solution B의 경우 앞서 확인했던 것과 같이 더 많은 수의 밸브가 있어야 평균 신뢰성 및 신뢰성의 표준편차를 안정적으로 유지할 수 있음을 알 수 있다. 결국은 적용하는 시나리오에 따라 다른 설계가 필요하고 다양한 시나리오를 고려 하지 않을 경우 효과적인 밸브의 위치를 결정하기에 어려움이 있을 것이다.
세그먼트 격리 시에 SHGI와 신뢰성의 변화는 상관관계가 적은 편은 아니지만, 최소 SHGI와 신뢰성을 나타내는 세그먼트는 다르게 나타났다. 밸브 설계 시 수요량이 많은 지역으로 물을 공급하는 수원의 격리가 상수도 관망의 신뢰성에 피해를 가장 많이 주었고, SHGI의 측면에서는 최소 수리학적 거리인 수용가가 포함된 세그먼트의 격리 시 가장 많은 SHGI 피해가 발생했다. 이에 따라 수요량이 많은 지역은 탱크와 같은 저장 시설이, 최소 수리학적 거리가 포함된 세그먼트는 dual-lining 혹은 우회 관을 연결하여 물 공급을 지속하는 것을 권장한다.
참고로 해당 피해량은 시간당 물 공급 부족분(LPS)이기에, 작은 차이라도 격리된 시간이 길어질수록 더 큰 피해가 발생할 수 있다. 본 결과로부터, 밸브 위치 선정 및 세그먼트 관련 분석 시 반드시 압력 기반 해석이 수반되어야 함을 확인하였다.
분석 결과 기존 페스카라 관망에 설치된 밸브는 과대 설계가 되어 있음을 보여주었으며, 총 19개의 밸브를 줄이더라도 유사한 상수도 관망 성능을 유지 할 수 있을 것으로 결론 내려졌다. 세그먼트 격리 시에 SHGI와 신뢰성의 변화는 상관관계가 적은 편은 아니지만, 최소 SHGI와 신뢰성을 나타내는 세그먼트는 다르게 나타났다.
분석 결과 기존 페스카라 관망에 설치된 밸브는 과대 설계가 되어 있음을 보여주었으며, 총 19개의 밸브를 줄이더라도 유사한 상수도 관망 성능을 유지 할 수 있을 것으로 결론 내려졌다. 세그먼트 격리 시에 SHGI와 신뢰성의 변화는 상관관계가 적은 편은 아니지만, 최소 SHGI와 신뢰성을 나타내는 세그먼트는 다르게 나타났다. 밸브 설계 시 수요량이 많은 지역으로 물을 공급하는 수원의 격리가 상수도 관망의 신뢰성에 피해를 가장 많이 주었고, SHGI의 측면에서는 최소 수리학적 거리인 수용가가 포함된 세그먼트의 격리 시 가장 많은 SHGI 피해가 발생했다.
이에 따라 수요량이 많은 지역은 탱크와 같은 저장 시설이, 최소 수리학적 거리가 포함된 세그먼트는 dual-lining 혹은 우회 관을 연결하여 물 공급을 지속하는 것을 권장한다. 유량 기반 해석 결과와 압력 기반 해석 결과 비교 결과, 유량 기반 해석 기반의 수리해석으로는 격리 지역 외의 다른 부분에서 압력 저감으로 인한 수요량 변동을 예측하지 못하여 피해량을 과소 예측할 수 있음을 밝혔다. 시나리오 A 와 B의 비교에서는 수원의 수두가 낮아진 Scenario B의 경우 Scenario A와 유사한 성능을 나타내려면 보다 많은 수의 밸브가 설치되어야 함을 보였다.
감소한 밸브 개수와 세그먼트로도 최소 신뢰성은 동일한 것으로 나타났으며, 최소 SHGI의 경우 오히려 향상된 값(격리 전 SHGI 대비약 70% 감소)을 보였다. 즉 페스카라 관망의 경우 불필요하게 많은 밸브가 설치되어 있으며 최적 설계된 밸브 위치로 총 19개의 밸브를 줄여도 향상된 상수도 관망의 성능을 유지할 수 있을 것으로 보인다. 참고로 각 세그먼트 격리 시 산정된 SHGI와 신뢰성 간의 피어슨 상관계수(Pearson Correlation Coefficient)는 대략 0.
02876으로 모든 시나리오에서 동일하며 신뢰성은 1로 큰 문제 없이 모든 수용가에 물을 공급하고 있었다. 즉, 페스카라 관망의 기존 밸브 위치에서 세그먼트 분할 시 SHGI는 최대 75% 가량 그리고 신뢰성은 최대 45% 정도 감소함을 보였다.
바꾸어 말하면, Solution B와 같이 수원의 수두가 낮아질 경우 기존의 수원 수두 조건(Scenario A)에서와 유사한 성능을 하려면좀 더 큰 비용(혹은 많은 수의 밸브)을 투자해야 한다고 해석할수 있다. 참고로 두 밸브 설계안의 상수도 관망에 아무런 격리가 없으면 압력을 비교해 보면 모든 수용가 통틀어 평균적으로 5.5 m의 차이가 나타났다. 두 관망은 서로 다른 수원의 수두 조건에서 최적화를 진행했지만, 같은 세그먼트의 구성을 나타내기도 했다(Fig.

후속연구

이러한 이유로 2번수원이 격리될 때 가장 낮은 신뢰성이 계산되었다. 결과를 미루어 볼 때, 페스카라 관망에서 절반 이상의 수요량이 할당된 좌측 상단 지역에 탱크와 같은 물 저장 시설을 설치한다면 2번 수원을 포함한 세그먼트 격리로 인한 신뢰성의 피해를 어느 정도 저감할 수 있을 것으로 보인다. 또한, 주요 구역 사이를 연결하는 관을 비상 라인(Emergency Connection)으로 간주, 병렬 관 설치를 한다면 전체 시스템의 물 공급 여분력을 확보해 줄 수 있다.
시나리오 A 와 B의 비교에서는 수원의 수두가 낮아진 Scenario B의 경우 Scenario A와 유사한 성능을 나타내려면 보다 많은 수의 밸브가 설치되어야 함을 보였다. 결국은 적용하는 수원 수두 조건 시나리오에 따라 다른 설계안이 필요하기에 다양한 시나리오를 고려해서 전반적으로 상수도 관망의 성능을 극대화할 수있도록 밸브의 위치를 정해줘야 할 것이다.
(2018)에서 제안한 압력 기반 해석 방법과 같이 수원을 유한 수원으로 고려하여 수리해석을 진행 할 수 있을 것이다. 그리고 좀 더 세분화되고 다양한 시나리오와 시나리오별 확률을 고려해서 밸브 위치 결정의 강건성 기반 설계 방향으로 확장이 가능할 것이다. 마지막으로 시나리오 플래닝과 같이 순차적으로 밸브를 설계하는 계획을 수립할 수 있을 것이다.
먼저, 본 연구에서 단일 목적함 수로 진행한 최적화를 다목적 최적 설계로 수정할 수 있을 것이다. 또한 본 연구에서 적용한 것과 같이 수원의 수두를 조절 하는 것 외에도 Lee et al. (2018)과 Oak et al. (2018)에서 제안한 압력 기반 해석 방법과 같이 수원을 유한 수원으로 고려하여 수리해석을 진행 할 수 있을 것이다. 그리고 좀 더 세분화되고 다양한 시나리오와 시나리오별 확률을 고려해서 밸브 위치 결정의 강건성 기반 설계 방향으로 확장이 가능할 것이다.
그리고 좀 더 세분화되고 다양한 시나리오와 시나리오별 확률을 고려해서 밸브 위치 결정의 강건성 기반 설계 방향으로 확장이 가능할 것이다. 마지막으로 시나리오 플래닝과 같이 순차적으로 밸브를 설계하는 계획을 수립할 수 있을 것이다.
본 연구는 밸브의 최적 위치 결정에 있어서 SHGI와 시나리오의 사용을 소개한 것에 의미가 있으며 향후 다음과 같은 방향으로 적용 및 확장할 수 있다. 먼저, 본 연구에서 단일 목적함 수로 진행한 최적화를 다목적 최적 설계로 수정할 수 있을 것이다. 또한 본 연구에서 적용한 것과 같이 수원의 수두를 조절 하는 것 외에도 Lee et al.
본 연구에서는 시나리오의 중요도도 높아 3가지 고려사항을 동등한 가중치를 주고 단일 목적 함수의 형태로 고려해 주었으나 향후 연구에서는 다목적함수로 고려해 주어야 한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	상수도 관망 밸브의 역할은 무엇인가?	상수도 관망 밸브는 평상시 관로의 유향을 변경하는 역할을 하지만, 관로 파손, 수질 문제 등 사고 발생 시 해당 구역을 격리하는데에도 이용된다. 밸브조작에 의한 구역 단수는 주변 지역의 압력 및 물 공급 성능 저하를 유발한다.
	압력 기반으로 관망 수리해석 수행 결과 찾아낸 최적 밸브 설계안과 기존 설계안의 차이점은?	최적 밸브 위치 탐색 과정 중 수행된 관망 수리해석은 압력 기반(Pressure Driven Analysis, PDA)으로 수행하였다. 개발된 방법론으로 도출한 최적 밸브 설계안은 기존 설계안 대비 밸브 개수가 최대 19개나 적었고, 세그먼트 격리 시 물 공급 부족량 또한 상대적으로 작았다. 수원 수두가 낮은 시나리오를 고려할수록 더 많은 밸브가 설치되었는데, 밸브 추가 설치에 따른 비용증가는 다양한 시나리오에서 물 공급 성능 향상으로 이어짐을 확인하였다.
	상수도 관망의 효율적인 운영을 위한 중요 고려사항 중 하나는 무엇인가?	따라서, 이를 적절히 유지 및 관리하는 것은 인간 생활의 영위에 있어 중요한 임무라고 할 수 있다. 상수도 관망의 효율적인 운영을 위해서는 각 구성요소를 어떻게 배치하고 어떤 경로로 물을 운반하는가에 대한 사항, 즉 연결성(connectivity)이 중요한 고려사항 중 하나이다. 그러나 최근 노후화와 지진으로 인한 관로 파손이 증가하고 있고, 인천, 포항 등 국내 도시에서 발생한 적수와 같은 수질 문제 등으로 인해 상수도 관망 효율적인 운영에 어려움이 발생하고 있다.

참고문헌 (31)

Alvisi, S., Creaco, E., and Franchini, M. (2011). "Segment identification in water distribution systems." Urban Water Journal, Vol. 8, No. 4, pp. 203-217.

상세보기
Araujo, L., Ramos, H., and Coelho, S. (2006). "Pressure control for leakage minimisation in water distribution systems management." Water Resources Management, Vol. 20, No. 1, pp. 133-149.

상세보기
Bragalli, C., D'Ambrosio, C., Lee, J., Lodi, A., and Toth, P. (2012). "On the optimal design of water distribution networks: A practical MINLP approach." Optimization and Engineering, Vol. 13, No. 2, pp. 219-246.

상세보기
Choi, Y., Jung, D., Jun, H., and Kim, J. (2018). "Improving water distribution systems robustness through optimal valve installation." Water, Vol. 10, No. 9, p. 1223.

상세보기
Creaco, E., Franchini, M., and Alvisi, S. (2010). "Optimal placement of isolation valves in water distribution systems based on valve cost and weighted average demand shortfall." Water Resources Management, Vol. 24, No. 15, pp. 4317-4338.

상세보기
Creaco, E., Franchini, M., and Alvisi, S. (2012). "Evaluating water demand shortfalls in segment analysis." Water Resources Management, Vol. 26, No. 8, pp. 2301-2321.

상세보기
Di Nardo, A., Di Natale, M., Santonastaso, G. F., Tzatchkov, V. G., and Alcocer-Yamanaka, V. H. (2013). "Water network sectorization based on graph theory and energy performance indices." Journal of Water Resources Planning and Management, Vol. 140, No. 5, pp. 620-629.
Dijkstra, E. (1959). "A note on two problems in connexion with graphs (PDF)." Numerische Mathematik. Vol. 1, No. 1, pp. 269-271. doi:10.1007/BF01386390.

상세보기
Giustolisi, O., and Savic, D. (2010). "Identification of segments and optimal isolation valve system design in water distribution networks." Urban Water Journal, Vol. 7, No. 1, pp. 1-15.

상세보기
Herrera, M., Abraham, E., and Stoianov, I. (2016). "A graph-theoretic framework for assessing the resilience of sectorised water distribution networks." Water Resources Management, Vol. 30, No. 5, pp. 1685-1699.

상세보기
Jones, E., Travis O., and Peterson, P. (2014). {SciPy}: open source scientific tools for {Python}.
Jowitt, P., and Xu, C. (1990). "Optimal valve control in water-distribution networks." Journal of Water Resources Planinning and Management, Vol. 116, No. 4, pp. 455-472.

상세보기
Judi, D., and McPherson, T. (2015). Development of extended period pressure-dependent demand water distribution models. Los Alamos National Lab. (LANL), Los Alamos, NM (United States).
Jun, H. (2005). "Isolating subsystems by valves in a water distribution system and evaluating the system performance." Journal of Korea Water Resources Association, KWRA, Vol. 38, No. 7, pp. 585-593.

원문보기 상세보기
Jun, H. (2006). "An evaluation of the pipe failure impact in a water distribution system considering subsystem isolation." Journal of Korea Water Resources Association, KWRA, Vol. 39, No. 2, pp. 89-98.

원문보기 상세보기
Jun, H., and Loganathan, G. V. (2007). "Valve-controlled segments in water distribution systems." Journal of Water Resources Planning and Management, Vol. 133, No. 2, pp. 145-155.

상세보기
Jun, H., Loganathan, G. V., Deb, A., and Grayman, W. (2007a) "Valve distribution and impact analysis in water distribution systems." Journal of Environmental Engineering, Vol. 133, No. 8, pp. 790-799

상세보기
Jun, H., Park, J., Baek, C., and Kim, J. (2007b). "A segment-based minimum cutset method for estimating the reliability of water distribution systems." Journal of Korea Water Resources Association, KWRA, Vol. 40, No. 9, pp. 735-742.

원문보기 상세보기
Kang, D., and Lansey, K. (2009). "Real-time optimal valve operation and booster disinfection for water quality in water distribution systems." Journal of Water Resources Planning and Management, Vol. 136, No. 4, pp. 463-473.
Kim, J., and Jun, H. (2013). "An exploratory development of a mathematical programming model for planning of restricted water supply." Journal of Korean Society of Hazard Mitigation, Vol. 13, No. 4, pp. 131-136.
Lee, H., Jun, H., Baek, S., and Kim, J. (2018). "Development and application of advanced-pressure driven analysis model considering limited reservoir." Journal of the Korean Society of Hazard Mitigation, Vol. 18, No. 2, pp. 271-280.
Lee, S., and Jung, D. (2018). "Correlation analysis between energy indices and source-to-node shortest pathway of water distribution network." Journal of Korea Water Resources Association, Vol. 51, No. 11, pp. 989-998.
Lee, S., Oak, S., Jung, D., and Jun, H. (2019). "Development of Failure Cause-Impact-Duration (CID) plots for water supply and distribution system management." Water, Vol. 11, No. 8, p. 1719.

상세보기
Lee, S., Yoo, D. G., Jung, D., and Kim, J. H. (2018). "Application of life cycle energy analysis for designing a water distribution network." The International Journal of Life Cycle Assessment, Vol. 23, No. 6, pp. 1174-1191.

상세보기
Lim, G., and Kang, D. (2019). "Optimal placement of isolation valves in water distribution networks based on segment analysis." Journal of Korea Water Resources Association, KWRA, Vol. 52, No. 4, pp. 291-300.
Ministry of Environment (2010). Water distribution system stadards.
Oak, S., Baek, S., Lee, H., and Jun, H. (2018). "An application of the A-PDA model for the interconnected operation among adjacent blocks of water distribution systems in case of emergency." Journal of the Korean Society of Hazard Mitigation, Vol. 18, No. 2, pp. 231-237.
Rana, S., and Boccelli, D. (2016). "Contaminant spread forecasting and confirmatory sampling location identification in a water-distribution system." Journal of Water Resources Planning and Management, Vol. 142, No. 12, p. 04016059.

상세보기
Rossman, L. A. (2000). EPANET 2: users manual.
Shin, S., Lee, S., Judi, D., Parvania, M., Goharian, E., McPherson, T., and Burian, S. (2018). "A systematic review of quantitative resilience measures for water infrastructure systems." Water, Vol. 10, No. 2, pp. 164-189.

상세보기
Yazdani, A., and Jeffrey, P. (2011). "Applying network theory to quantify the redundancy and structural robustness of water distribution systems." Journal of Water Resources Planning and Management, Vol. 138, No. 2, pp. 153-161.

LOADING...

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].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증