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와이블 분포함수를 이용한 하수관로 노후도 추정
Estimation of sewer deterioration by Weibull distribution function 원문보기

上下水道學會誌 = Journal of Korean Society of Water and Wastewater, v.34 no.4, 2020년, pp.251 - 258  

강병준 ((주)엔솔파트너스) ,  유순유 (한국산업기술대학교 지식융합학부) ,  박규홍 (중앙대학교 공과대학 사회기반시스템공학부)

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

Sewer deterioration models are needed to forecast the remaining life expectancy of sewer networks by assessing their conditions. In this study, the serious defect (or condition state 3) occurrence probability, at which sewer rehabilitation program should be implemented, was evaluated using four prob...

주제어

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제안 방법

  • 이렇게 분류한 데이터를 다시 매설 지역과 관경으로 분류하여 Table 1과 같이 3개의 그룹으로 분류하였다. G1은 217 하수관로 구간(맨홀부터 맨홀까지)의 데이터를 별도의 구분없이 모두 포함하였으며, G2는 PP배수분구에 매설된 450 mm 이하의 강성관로 데이터 그룹, G3는 AY 배수분구의 600 mm 이상 강성관로 데이터그룹으로 구분하여 분류하였다.
  • 본 연구에서 Z시의 하수관로 표본조사 자료 상태등급 자료를 이용하여 보수기준에 도달한 관로 발생 확률을 Weibull 분포를 이용하여 도출하였다. 또한, 관로 속성 정보 및 노후화에 영향을 미치는 다양한 요인들을 이용하여 구성된 세 그룹을 비교, 분석하여 하수관로 노후화에 영향을 미치는 조건을 추정할 수 있었다. 결함발생 관측자료와 모의결과 비교 시 적합성이 세개의 그룹 모두 약 95% 이상 높게 나타났다.
  • 이를 위해서 1997~1999년, 2010~2011년에 Z시에서 각각 수행된 하수관로 CCTV 표본조사의 상태등급자료와 하수도 데이터베이스 정보를 이용하였다. 또한, 하수관로의 매설 위치, 관 재질, 관경을 구분하여 서로 다른 특성의 그룹으로 분류하였으며, 각 그룹별 결함발생 확률 및 결함발생의 위험도 특성을 비교하였다.
  • 본 연구에서 Z시의 하수관로 표본조사 자료 상태등급 자료를 이용하여 보수기준에 도달한 관로 발생 확률을 Weibull 분포를 이용하여 도출하였다. 또한, 관로 속성 정보 및 노후화에 영향을 미치는 다양한 요인들을 이용하여 구성된 세 그룹을 비교, 분석하여 하수관로 노후화에 영향을 미치는 조건을 추정할 수 있었다.
  • 본 연구에서는 CCTV 조사를 통해서 정의된 하수관로 상태등급과 관측 자료의 분포 특성을 잘 표현할 수 있는 Weibull 분포의 규모와 형상의 매개변수를 추정한 후, 이 Weibull 분포를 이용하여 하수관로 사용연수에 따른 보수가 필요한 관로(상태등급 3)의 발생 확률 및 발생 위험도 분석을 수행하였다. 이를 위해서 1997~1999년, 2010~2011년에 Z시에서 각각 수행된 하수관로 CCTV 표본조사의 상태등급자료와 하수도 데이터베이스 정보를 이용하였다.

대상 데이터

  • Z시 하수도대장의 정보와 1997년, 1998∼1999년, 2010∼2011년에 5개 배수구역의 17개 배수분구에서 각각 관로 내 CCTV 조사를 수행하여 구조적 결함자료(총 8,212 관로구간, 약 250.95 km)를 수집하였다.
  • 관로 상태등급은 Table 3과 같이 3등급 체계로 구성되어 있으며, 가장 양호한 상태등급 CS1은 결함 항목의 a등급 비율이 60% 이하이거나 결함 항목의 b등급 비율이 60% 이상일 때 부여하며, CS2는 b등급 비율이 40% 이하 또는 c등급이 20% 이하일 때 부여하고, CS3등급은 결함항목의 b등급 비율이 40% 이상 또는 c등급이 20% 이상일 때 부여한다. 본 연구에서는 관로의 정비 및 교체와 같은 이력자료가 전무한 상태에서 관로의 상태등급 중 주요 보수대상인 CS3만을 분석에 이용하였다.
  • 본 연구에서는 CCTV 조사를 통해서 정의된 하수관로 상태등급과 관측 자료의 분포 특성을 잘 표현할 수 있는 Weibull 분포의 규모와 형상의 매개변수를 추정한 후, 이 Weibull 분포를 이용하여 하수관로 사용연수에 따른 보수가 필요한 관로(상태등급 3)의 발생 확률 및 발생 위험도 분석을 수행하였다. 이를 위해서 1997~1999년, 2010~2011년에 Z시에서 각각 수행된 하수관로 CCTV 표본조사의 상태등급자료와 하수도 데이터베이스 정보를 이용하였다. 또한, 하수관로의 매설 위치, 관 재질, 관경을 구분하여 서로 다른 특성의 그룹으로 분류하였으며, 각 그룹별 결함발생 확률 및 결함발생의 위험도 특성을 비교하였다.
  • 95 km)를 수집하였다. 이중 하수도대장 관리번호와 조사된 관로번호가 일치하는 관로만을 추출하였으며, 이후 관로 매설 정보가 유효한 관로와 합류식 관로만을 별도로 추출하여 Table 1의 G1과 같이 217 관로구간(6.1 km)의 데이터 그룹을 준비하였다. 이렇게 분류한 데이터를 다시 매설 지역과 관경으로 분류하여 Table 1과 같이 3개의 그룹으로 분류하였다.

데이터처리

  • 1 (a)와 같이 CS3 발생 분포가 정규분포를 따르고 있지 않는 것으로 나타났다. 따라서 이를 잘 설명할 수 있는 적합한 분포 추정이 필요하여 정규, 로그 정규, 지수, Weibull 분포를 이용하여 평가하였으며, 분포의 적합성을 판단하기 위해 Anderson Darling(AD) 통계량을 이용하였다. AD 통계량이 작을수록 분포의 적합성이 높다고 할 수 있다(Do, 2010).

이론/모형

  • 모수법으로 적정 주요 결함발생분포의 매개변수를 산정하기 위해서 최우도법(MLE; maximum likelihood estimation)를 이용하였다. Table 5에 G1, G2, G3의 각각의 관측자료를 기반으로 추정된 형상매개변수와 규모매개변수값과 검정을 위한 표준오차(S.
  • 신뢰성이론에서는 분석 대상의 수명에 대해 여러 가지 분포가 사용되고 있으며, 본 연구에서는 대표적인 Weibull 분포를 이용하였다. Weibull 분포는 분포함수의 모수값에 따라 다양한 모양을 나타낼 수 있으며, 복잡하고 이론적인 어려움이 있음에도 불구하고 수명과 관련된 수학적 모델링에 많이 이용된다(Lancaster, 1999; Gourieroux, 2000).
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
사후대응형의 문제점은 무엇인가? 그동안 하수관로 유지관리는 노후화로 인해 발생하는 문제점들에 대해서만 대응하는 “사후대응형” 접근방법을 사용해 왔다. 이러한 접근방법은 불충분한 조사와 계획으로 인하여, 비효율적인 유지보수 전략과 경제적 어려움을 일으킬 수 있다(Baur and Herz, 2002). 따라서 한정된 예산에서 효율적인 하수관로 유지관리를 위해서 문제가 발생하기 이전에 미리 문제를 해결하는 방식인 “사전예방형 관리”가 많은 관심을 받고 있다(Ariaratnam et al.
하수관로의 특징은 무엇인가? 하수관로는 대부분이 지하에 매설되어 있는 특성 때문에 육안으로 확인하기 어려워 치명적인 문제가 발생하기 전까지 관심을 갖지 않는 경향이 있다. 그동안 하수관로 유지관리는 노후화로 인해 발생하는 문제점들에 대해서만 대응하는 “사후대응형” 접근방법을 사용해 왔다.
지금까지 하수관로 유지관리는 어떻게 하고 왔었는가? 하수관로는 대부분이 지하에 매설되어 있는 특성 때문에 육안으로 확인하기 어려워 치명적인 문제가 발생하기 전까지 관심을 갖지 않는 경향이 있다. 그동안 하수관로 유지관리는 노후화로 인해 발생하는 문제점들에 대해서만 대응하는 “사후대응형” 접근방법을 사용해 왔다. 이러한 접근방법은 불충분한 조사와 계획으로 인하여, 비효율적인 유지보수 전략과 경제적 어려움을 일으킬 수 있다(Baur and Herz, 2002).
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참고문헌 (17)

  1. Ariaratnam, S.T., El-Assaly, A. and Yang, Y. (2001). Assessment of infrastructure inspection needs using logistic models, J. Infrastruct. Syst., 7(4), 160-165. 

  2. Baik, H.S., Jeong, H.S., and Abraham, D.M. (2006). Estimating transition probabilities in markov chainbased deterioration models for management of wastewater systems, J. Water Res. Plan. Manag., 132(1), 15-24. 

  3. Baur, R. and Herz, R. (2002). Selective inspection planning with ageing forecast for sewer types, Water Sci. Technol., 46(6-7), 389-396. 

  4. Belmonte, H.M.S., Mulheron, M., Smith, P.A., Ham, A., Wescombe, K. and Whiter, J. (2008). Weibull-based methodology for condition assessment of cast iron water mains and its application, Fatigue Fract. Eng. Mater. Struct., 31(5), 370-385. 

  5. Do, M.S., (2010). Estimation of mean life and reliability of highway pavement based on reliability theory, J. Civ. Eng., 30(5), 497-504. 

  6. Gourieroux, C. (2000). Econometrics of qualitative dependent variables, Cambridge Univ., Press. 

  7. Henley, J.E. and Kumamoto, H. (1992). Probabilistic Risk Assessment. IEEE Press, Tokyo. 

  8. Johnson, V.E. and Albert, J.H. (1999). Ordinal Data Modeling. Springer-Verlag New York. 

  9. Kuzin, S.A. and Adams, B.J. (2005). Probabilistic approach to the estimation of urban stormwater pollution loads on receiving waters, World Water Congr., 2005, 143-156. 

  10. Lancaster, T. (1990). The econometrics analysis of transition data, Cambridge Univ., Press. 

  11. Lemer, A. (2000). Building public works infrastructure management systems for achieving high returns on public assets, Public Wolk. Manag. Policy, 3(3), 255-272. 

  12. Mehle, J.J., O'Keefe, S.M. and Wrase, P.E. (2001). An examination of methods for condition rating of sewer pipelines, Center for Development of Technical Leadership, University of Minnesota. 

  13. Ministry of Environment. (2011). Manual of CCTV Inspection and Judgment Criteria for Sewer Rehabilitation. 

  14. Rostum, J., Baur, R., Saegrov, S., Horold, S., and Schilling, W. (1999). "Predictive service-life models for urban water infrastructure management", Proceedings 8th International Conference on Urban Storm Drainage, 594-601. 

  15. Vanier, D.J. (2001). Why industry needs asset management tools, J. Comput. Civ. Eng., 15(1). 35-43. 

  16. Vladeanu, G.J. and Koo, D.D. (2015). A comparison study of water pipe failure prediction models using weibull distribution and binary logistic regression, Pipelines 2015, 1590-1601. 

  17. Wirahadikusumah, R., Abraham, D., and Iseley, T. (2001). Challenging issues in modeling deterioration of combined sewers, J. Infrastruct. Syst., 7(2), 77-84. 

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