[논문]수처리공정의 디지털 트윈 요소기술과 추진 전략

조영만; 정용준

doi:10.17663/jwr.2023.25.4.284

초록
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국내 상하수도 시설들은 운전과 관리 인력의 노후화와 같은 유지관리의 어려움이 가속화되고 있으므로 디지털트윈 기술이 유력한 관리 기술로 부각되고 있다. 국내 정수장의 디지털트윈 기술은 환경부의 지능형 하수처리, 일부 지자체에서 독자적으로 진행되는 사업 및 K-water 주관의 디지털 트윈 과제 등이 포함되지만, 적용 범위가 각 기관별로 상이하다. 이에 따라 정수공정에서는 시행착오를 줄이고, 미래 사업 활성화를 위해서는 기술표준화와 순차적 도입과정이 필요하다. 본 연구의 목적은 환경부 스마트하수처리사업, K-water 지능형정수공정 구현사업, 지자체 사업 등 각 기관별로 추진되고 있는 디지털트윈 관련 기술에 대한 효율적인 추진 전략을 제공하는데 있다.

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Domestic water supply and sewage facilities are rapidly aging and maintenance difficulties such as aging of operation and management personnel are overlapping, so Digital Twin technology is attracting attention as an intelligent means of process management. Digital twin projects for domestic water t...

Domestic water supply and sewage facilities are rapidly aging and maintenance difficulties such as aging of operation and management personnel are overlapping, so Digital Twin technology is attracting attention as an intelligent means of process management. Digital twin projects for domestic water treatment processes include the smart sewage treatment project promoted by the Ministry of Environment, projects independently promoted by some local governments, and digital twin purification plant projects promoted by K-water. However, the content of digital twin promotion is different for each institution. Therefore, in the water treatment process, technological standardization and step-by-step implementation methods for digital twins must be preceded to reduce trial and error in future business promotion. This study aims to provide an efficient promotion plan by prescribing the digital twin element technology and composition method in the water treatment process and reviewing the contents currently being promoted by the Ministry of Environment, local governments, and K-Water individually.

주제어

표/그림 (6)

그림 Fig. 1. Configuration diagram of digital twin element technology in water treatment process.
표 Table 1. Current state of local government network composition
표 Table 2. The application of CFD technology in various unit processes of wastewater treatment
표 Table 3. Artificial intelligence algorithms used in different applications:
그림 Fig. 2. Architecture of Cyber process and Real Process in Water Treatment Process.
표 Table 4. The recommended artificial intelligence algorithms, learning methods, and applications for each unit process in water treatment facilities.

AI 본문요약
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문제 정의

수처리공정에서 디지털트윈 기술 구현은 전술한 네 가지 요소기술 간의 상호 유기적인 통합을 위해 요소기술 구성 방법, 표준 등 기술요구 조건 등을 명확히 해야 한다. 본 연구는 수처리 공정에서 디지털트윈 요소기술 및 구성방법을 규정하고 현재 환경부, 지자체, 한국수자원공사(K-water)가 개별적으로 추진하고 있는 내용을 검토하여 국내 수처리공정에서 디지털트윈 기술 구현을 위한 효율적인 추진방안을 제시하고자 한다.
본 연구의 목적은 정수공정의 전산유체 실시간공정진단시스템을 구현하기 위한 기본 단위기술인 공정의 가시화, IoT, AI, 전산유체 시뮬레이션 및 디지털트윈 기술 간의 유기적 연관성과 기술적 통합을 제시하는데 있다.
정수공정을 실시간으로 진단 평가하기 위해서는 실제 공정의 운전 상태를 계측하여 수집되는 수많은 데이터를 인공지능 기술을 통해 분석 평가하게 되며, 이와 같이 측정·분석된 자료가 통합관리시스템에서 통합 관리된다. 본 연구의 연구 범위는 디지털트윈의 4가지 요소기술인 측정, 3차원가시화, 전산유체시뮬레이션, AI 통합관리시스템에 대한 기술적 내용과 요소 기술 간의 상호 유기적 관계 등을 규명하는 것이다.

제안 방법

본 연구에서는 이와 같은 각 주체간의 추진 내용과 차이를 구분하고 분석하기 위해 환경부가 추진하고 있는 하수처리장지능화 사업을 비롯하여 한국수자원공사 그리고 서울시를 포함하여 8개 특·광역시의 디지털트윈 관련 사업 진행사항을 조사 분석하였다.

성능/효과

1) 수처리공정에서 디지털트윈 기술을 구현하기 위한 요소기술은 공정의 3차원가시화, IoT 및 AI 기술, 전산유체진단, 통합운영관리시스템 등의 4가지 기술이 구성될 수 있다.
2) 디지털트윈 구현은 추진 주체의 기술수준, 예산 등을 고려하여 단계적 추진이 중요하며 일반적으로는 ①데이터 측정 및 송수신 →②공정의 3차원 가시화 →③전산유체시뮬레이션 →④인공지능 통합관리시스템 등의 단계가 바람직할 수 있다.

후속연구

3) 현재 환경부 스마트하수처리사업, K-water 지능형정수공정 구현사업, 서울시의 3차원도면화 등 각 기관별로 추진되고 있는 디지털트윈 관련 기술에 대한 개념, 추진방법 등 추진전략 정립이 필요하다.
공공하수처리시설 지능화 사업은 한국정보화진흥원에서 추진한 ‘2019년 국가기반시설(인프라) 지능 정보화 사업‘ 공모를 통해 선정된 과제로 공공하수처리시설에 IoT, 빅데이터, 인공지능 등 지능화 기술을 적용하는 사업이다. 다음은 그동안 추진했던 스마트 하수처리장 사업에 대한 가이드라인으로 향후 정수공정 디지털 트윈 사업 추진에 많은 참고와 시사점이 있다는 점에서 검토가 필요하다. 현재 환경부 주관 스마트 하수처리장 시범사업은 디지털트윈 기술의 핵심 기술요소인 3D 모델링, CFD 시뮬레이션, 데이터 수집 및 분석 등 3가지 기술 중에서 데이터 수집 분석 기술이 핵심을 이루고 있고 3D 및 CFD 시뮬레이션 기술은 빠져 있다.
서울시가 일부 정수장을 대상으로 재산관리 차원에서 도면을 3차원 입체화하는 사업을 추진하였으나 디지털트윈에 대한 중장기적인 계획이 부재한 상태에서 추진되어 호환성과 확장성이 미흡한 것으로 판단된다. 디지털트윈 사업의 시행착오를 줄이기 위해서는 각 추진 주체의 사업 내용에 대한 면밀한 검토와 분석을 통해 정수 공정의 디지털트윈기술의 개념, 추진 전략, 방법, 추진 단계 등에 관한 토론과 합의해야 할 것으로 판단된다. 또한 사업을 추진하는 지자체는 현재 기술 인력, 자원 등의 조건 등을 감안한 중장기적인 계획을 수립한 후에 단계적으로 사업을 추진해야 시행착오를 최소화할 수 있을 것으로 판단된다.
현재 환경부 주관 스마트 하수처리장 시범사업은 디지털트윈 기술의 핵심 기술요소인 3D 모델링, CFD 시뮬레이션, 데이터 수집 및 분석 등 3가지 기술 중에서 데이터 수집 분석 기술이 핵심을 이루고 있고 3D 및 CFD 시뮬레이션 기술은 빠져 있다. 따라서 이와 같이 추진사항은 사업 진행과정이나 실제 현장 조건에 따라 향후 추가적인 검토가 필요하다.
또한 전산유체 진단을 위한 진단 도면으로 활용할 수 있을 뿐만 아니라 VR, AR, MR 기술을 위한 기초 도면으로 필요한 기본 기술이다. 향후 정수기술 역시 모든 시설 운영은 실제 세계와 가상 세계를 결합하여 사용자 경험을 증강시키는 기술인 가상현실, 증강현실, 혼합현실 기술과 결합을 위해서도 3차원 가시화 기술은 디지털트윈의 중요한 요소 기술이다.

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