초록 ▼

□ 연구개발 목표 및 내용
◼ 최종 목표
CPS기반 정수처리 공정 자율제어 통합관리시스템 개발 및 실증화

◼ 전체 내용
[1단계]
· 1차년도: 정수처리 유형별 Pilot Plant S/W, S/W 구축
· 2차년도: 정수처리 유형별 CPS기반 Pilot Plant 공정제어 검증
· 3차년도: CPS기반 Pilot Plant 자율제어 통합관리시스템 구축
· 4차년도: CPS기반 Pilot Plant/ 소규모 정수장 검증
[2단계]
· 1차년도: CPS기반 중대규모 정수장

□ 연구개발 목표 및 내용
◼ 최종 목표
CPS기반 정수처리 공정 자율제어 통합관리시스템 개발 및 실증화

◼ 전체 내용
[1단계]
· 1차년도: 정수처리 유형별 Pilot Plant S/W, S/W 구축
· 2차년도: 정수처리 유형별 CPS기반 Pilot Plant 공정제어 검증
· 3차년도: CPS기반 Pilot Plant 자율제어 통합관리시스템 구축
· 4차년도: CPS기반 Pilot Plant/ 소규모 정수장 검증
[2단계]
· 1차년도: CPS기반 중대규모 정수장 자율제어 통합관리시스템 적용방안 마련
· 2차년도: CPS기반 정수장 운영, 유지관리 방안/매뉴얼 작성 및 사업화방안 마련

◼ 1단계
❏ 목표
CPS기반 정수처리 자동제어 및 운영, 유지관리 핵심기술개발 및 Pilot Plant 적용
CPS기반 정수처리 자동제어 및 운영, 유지관리 핵심기술 고도화 및 소규모 정수장 적용
❏ 내용
· 1차년도: 정수처리 유형별 Pilot Plant S/W, S/W 구축
· 2차년도: 정수처리 유형별 CPS기반 Pilot Plant 공정제어 검증
· 3차년도: CPS기반 Pilot Plant 자율제어 통합관리시스템 구축
· 4차년도: CPS기반 Pilot Plant/ 소규모 정수장 검증

◼ 2단계
❏ 목표
CPS기반 정수처리 자동제어 및 운영, 유지관리 핵심기술 검증 및 사업화방안 마련
❏ 내용
· 1차년도: CPS기반 중대규모 정수장 자율제어 통합관리시스템 적용방안 마련
· 2차년도: CPS기반 정수장 운영, 유지관리 방안/매뉴얼 작성 및 사업화 방안 마련

□ 연구개발성과
[1단계 성과목표달성 세부내용]
○ 과학적성과-SCI(E) 학술지, 6건 (120% 달성)
1) Changseog Oh, Jusuk An, Seungjae Yeon, Hyun Je Oh, Evaluation of total dissolved solids removal characteristics by recycling concentrated water in membrane capacitive deionization process, Desalination and Water treatment, 264, 2022, 54-61
2) Jayun Kim, Woosik Jung, Jusuk An, Hyun Je Oh, Joonhong Park, Self-optimization of training dataset improves forecasting of cyanobacterial bloom by machine learning, Science of the Total Environment, 866, 2023, 161398
3) Bokjin Lee, Changseog Oh, Jusuk An, Seung-Jae Yeon, Hyun Je Oh, Optimizing operational conditions of pilot-scale membrane capacitive deionization system
4) (예정) Jayun Kim, Woosik Jung, Jusuk An, Hyun Je Oh, Joonhong Park, Applying clustering approach for predicting CyanoHABs at a national scale by compiling multi-region data, Science of The Total Environment
5) (예정) Hyeongrak Cho, Yongjun Choi, Song Lee, Seoyeon Lee, Sangho Lee, Development of Synthetic Data Generation Methodology for Water Quality Prediction, Desalination and Water treatment
6) (예정) Hyeongrak Cho, Yongjun Choi, Song Lee, Seoyeon Lee, Sangho Lee, Development of Prediction Model Platform for Turbidity in Water Treatment Plant, Desalination and Water treatment
○ 과학적성과-일반 학술지, 4건 (133% 달성)
1) 김성아, 김지현, 이민주, 김자연, 정우식, 박준홍, 초음파와 자외선(UV) 동시 적용이 가정용 가습기 내 살균에 미치는 시너지 효과에 대한 반응속도론적 연구, 대한상하수도학회지, 35(3), 2021, 227-235
2) 오창석, 안주석, 오현제, 정수처리 공정 적용을 위한 MCDI (Membrane Capacitive Deionization) Module의 수용액 내 TDS 제거 특성에 관한 연구, 대한상하수도학회지, 35(4), 2021, 293-300
3) 오현제, 대한상하수도학회, 정수처리장 고속 용존공기부상공정의 설계 및 적용: 탁도 및 조류 제거를 위한 현장연구
4) 오창석, 오현제, 대한상하수도학회, 순환공정을 이용한 MCDI(Membrane Capacitive deionization) 탈착과정의 TDS 농축특성에 관한 연구
○ 과학적성과-학술회의발표(국내), 32건 (400% 달성)
1) 위다영, 주재현, 최용준, 이상호, PACl과 FeCl3 응집제를 사용한 응집에 대한 온도의 영향, 학국막학회, 2020
2) 안주석, 정우식, 오창석, 오현제, 정수처리 자동제어 및 운영 유지관리를 위한 가상물리시스템 구축에 관한 연구, 대한토목학회, 2020
3) 위다영, 주재현, 최지혁, 최용준, 이상호, 담수화 및 수처리 분야 인공지능 기술 기존 연구 분석, 공업화학회, 2020
4) 최창규, 조은찬, 장현진, 박종호, 나지훈, 이국양, 국가물산업클러스터 실증화 시설 내 표준정수처리공정 가상물리시스템 개발을 위한 공정별 수질 및 수량 분석, 대한환경공학회, 2020
5) 조형락, 최지혁, 주재현, 이주영, 최용준, 이상호, 전산유체역학 기법을 이용한 교반 성능 비교 분석, 한국공업화학회, 2021
6) 안민철, 이주영, 조형락, 최용준, 이상호, 청정용매 Triethyl phosphate 를 이용한 Polyvinylidene fluoride 분리막 제조 및 막증발 공정 성능 평가, 한국공업화학회, 2021
7) 위다영, 이주영, 조형락, 최용준, 이상호, 비점오염원의 효율적 처리를 위한 중력식 막여과-축전식 탈염 조합 공정의 적용, 한국공업화학회, 2021
8) 오창석, 안주석, 연승재, 오현제, 순환 탱크를 포함한 축전식 탈염 공정의 TDS 제거 특성 평가, 대한토목학회, 2021
9) 연승재, 안주석, 오창석, 오현제, 인공신경망 모델을 활용한 모래여과공정 최적 운전방안 예측, 대한토목학회, 2021
10) 김자연, 정우식, 박준홍, 딥러닝 기반 유해남조류 발생 예측 연구, 대한토목학회 2021
11) 안주석, 연승재, 오창석, 김자연, 박준홍, 오현제, 회귀알고리즘을 이용한 정수장 내 응집제 주입량 예측에 관한 연구, 대한환경공학회, 2021
12) 연승재, 안주석, 오창석, 오영진, 채기병, 오현제, 인공신경망 모델기반 정수처리 자동제어 시스템 개발 연구, 대한환경공학회, 2021
13) 오창석, 안주석, 연승재, 오현제, 운전 조건에 따른 축전식 탈염 공정의 흡착 및 탈착 특성 평가, 대한환경공학회, 2021
14) 김자연, 박준홍, 안주석, 순환신경망 모형의 정수장 유입수 탁도 예측 성능 평가, 대한환경공학회, 2021
15) 김자연, 박준홍, 딥러닝 기반 낙동강 남세균 발생 예측에 데이터 크기 및 기간의 영향, 대한환경공학회, 2021
16) 최창규, 조은찬, 장현진, 황준석, 이국양, 일반 및 고도 정수처리 공정에서 장기간 운전시 응집효율에 따른 탁도제거 분석, 대한토목학회, 2021
17) 장현진, 조은찬, 이국양, 박종호, 최창규, 국가물산업클러스터 정수처리공정 가상물리시스템 구축을 위한 공정별 탁도 및 유기물 분석, 대한환경공학회, 2021
18) 연승재, 안주석, 오창석, 오현제, 정수처리공정제어에 대한 머신러닝 연구현황, 대한상하수도학회 한국물환경학회 공동학술발표회, 2021
19) 오창석, 안주석, 연승재, 오현제, 농축수 재활용을 통한 CDI 장치의 흡착 및 탈착 특성평가, 대한상하수도학회 한국물환경학회 공동학술발표회, 2021
20) 안주석, CPS 기반 정수처리 자동제어기술 개발, 대한상하수도학회 한국물환경학회 공동학술발표회, 2021
21) 박준홍, 정수처리장 유입수질 비정상상태(상수원 남조류) 발생을 사전 예측하는 인공지능 기법 개발 및 실증연구, 대한상하수도학회 한국물환경학회 공동학술발표회, 2021
22) 이상호, CPS기반 정수처리 자동제어를 위한 수질 시뮬레이션 플랫폼 개발, 대한상하수도학회 한국물환경학회 공동학술발표회, 2021
23) 최창규, 국가물산업클러스터 일반 및 고도 정수처리공정 DB구축, 대한상하수도학회 한국물환경학회 공동학술발표회, 2021
24) 김예솔, 이주영, 조형락, 이상호, 축전식 탈염공정을 이용한 인산 이온의 선택적 제거, 한국공업화학회, 2022
25) 김자연, 정우식, 안주석, 오현제, 박준홍, 국내 하천 물환경 데이터를 활용한 남세균 발생 예측 Cohnitive Programming, 전문가그룹학술대회, 2022
26) 오창석, 안주석, 연승제, 오현제, 막결합 축전식 탈염 장치의 기존 공정과순환 공정의 에너지 소비량 비교 및 특성 평가, 대한상하수도학회 한국물환경학회 공동학술발표회, 2022
27) 연승재, 안주석, 오창석, 오현제, 공공데이터 기반 물-에너지 상관관계 분석, 대한상하수도학회 한국물환경학회 공동학술발표회, 2022
28) 임주환, 장현진, 황준석, 한정규, 최창규, 가상물리시스템 적용을 위한 국가 물산업클러스터 정수시설의 TOC 수질 분석, 대한토목학회 학술발표대회, 2022
29) 오창석, 안주석, 연승재, 오현제, MCDI 장치의 운전 횟수에 따른 TDS 제거 특성 평가, 대한환경공학회 국내학술대회, 2022
30) 오창석, 안주석, 연승재, 오현제, 순환공정을 이용한 막결합 축전식 탈염 공정의 cycle에 따른 탈착수 TDS 농축 특성 평가, 대한상하수도학회 한국물환경학회 공동학술발표회, 2023
31) 정우식, 김상균, 박준홍, 낙동강의 남세균 4개 속 (genus) 군집 분포 및 기계학습 기반 우점 속 예측, 대한토목학회, 2023
32) 김자연, 장가연, 박준홍, 남조류 발생 대응을 위한 정수처리시설 운영관리 의사결정 시스템, 대한토목학회, 2023
○ 과학적성과-학술회의발표(국외), 14건 (233% 달성)
1) Jusuk An, Seungjae Yeon, Woosik Jung, Jayun Kim, Joonhong Park and Hyun Je Oh, Determination of coagulant dosing rate using polynomial multiple regression in drinking water treatment plant, CESE2021, 2021
2) Changseog Oh, Jusuk An, Seungjae Yeon and Hyun Je Oh, Evaluation of TDS removal characteristics using concentrated water during desorption in Capacitive deionization process, CESE2021, 2021
3) Jayun Kim, Woosik Jung, Sunga Kim, Jusuk An, and Joonhong Park, Data history considerations on deep learning forecast of cyanobacterial bloom / AGU 2021
4) Jayun Kim, Woosik Jung, Sunga Kim and Joonhong Park, A novel deep learning based method of predicting and mapping cyanobacterial blooms in all main rivers in South Korea using weekly monitored nationwide big data, American Society for Microbiology Microbe 2022, 2022
5) Seungjae Yeon, Jusuk An, Changseog Oh and Hyun Je Oh, A study on water-energy index development using domestic public data, CESE2022, 2022
6) Changseog Oh, Jusuk An, Seungjae Yeon and Hyun Je Oh, Evaluation of sodium chloride (NaCl) removal characteristics from aqueous solution using membrane capacitive deionization (MCDI) circulation process, CESE2022, 2022
7) Seungjae Yeon, Jusuk An, Changseog Oh, A study on the proper scheduling of the sand filtration process through artificial intelligence learning, 8th World Congress On Civil, Structural, and Environmental Engineering, 2023
8) Changseog Oh, Jusuk An, Seungjae Yeon and Hyun Je Oh, Evaluation of monovalent and divalent ions removal characteristics using Membrane Capacitive Deionization(MCDI) circulation process, 8th World Congress On Civil, Structural, and Environmental Engineering, 2023
9) Seungjae Yeon, Jusuk An, Changseog Oh, A Study on Artificial Intelligence-Based Sand Filtration Backwash Cycle Determination Method for Improving Sand Filtration Process Maintenance Performance, 7th International Conference Of Recent Trends in Environmental Science and Engineering, 2023
10) Changseog Oh, Jusuk An, Seungjae Yeon and Hyun Je Oh, A Study on the TDS Concentration Difference and Characteristics of Desorption Using MCDI Process and Circulation Process, 7th International Conference Of Recent Trends in Environmental Science and Engineering, 2023
11) Hyeongrak Cho, Yongjun Choi and Sangho Lee, A model bank for water quality prediction in water treatment process: An ensemble apptoach with a small-scale pilot plant, 7th International Conference Of Recent Trends in Environmental Science and Engineering, 2023
12) Hyeongrak Cho, Yongjun Choi and Sangho Lee, Development of prediction model platform for turbidity in water treatment plant, 13th International Congress on Membranes and Membrane Processes, 2023 13) (예정) Jayun Kim, Woosik Jung, Sunga Kim, Seungjae Yeon, and Joonhong Park, Investigating composition of cyanobacteria genera in the Nakdong River and predicting dominance of toxic-producing one by machine learning, IEEE i-COSTE 2023, 2023
14) (예정) Jayun Kim, Woosik Jung, Sunga Kim, Seungjae Yeon, and Joonhong Park, Investigating Composition of Cyanobacteria Genera in the Nakdong River and Predicting Dominance of Toxic-Producing One by Machine Learning, AGU23, 2023
○ 기술적성과-특허출원(국내), 5건 (100% 달성)
1) 10-2021-0057231, 수처리 시설의 공정별 수질 예측 시스템 및 방법, 2021
2) 10-2021-0092315, 기계학습 기반 녹조예측장치, 2021
3) 10-2021-0120904, 탈착공정용 순환탱크를 구비한 축전식 탈염 정수처리 시스템 및 그 제어방법, 2021
4) 10-2022-0069340, 기계학습 기반의 적정 응집제 주입량 자동제어 시스템 및 그 방법, 2022
5) 10-2022-0069342, 기계학습 기반의 정수처리장 유입탁도 예측 시스템 및 그 방법, 2022
○ 기술적성과-특허등록(국내), 1건 (100% 달성)
1) 탈착공정용 순환탱크를 구비한 축전식 탈염 정수처리 시스템 및 그 제어방법, 2021
○ 기술적성과-저작권, 9건 (225% 달성)
1) C-2021-043465, 정수처리공정 모델 인터페이스 프로그램, 2021
2) C-2021-043466, 정수처리공정 Web API, 2021
3) C-2021-043467, 웹기반 정수처리공정 통합 운영관리프로그램, 2021
4) C-2022-048518, CPS기반 정수처리 자동제어 통합플랫폼 관리 프로그램 -자료관리 : iWaterCPS.DataMgmt
5) C-2022-048519, CPS기반 정수처리 자동제어 통합플랫폼 관리 프로그램 -모델 관리 : iWaterCPS.ModelMgmt
6) C-2022-048520, CPS기반 정수처리 자동제어 통합플랫폼 관리 프로그램 -제어 관리 : iWaterCPS.ControlMgmt
7) C-2022-048521, CPS기반 정수처리 자동제어 통합플랫폼 관리 프로그램 -API 관리 : iWaterCPS.ApiMgmt
8) C-2022-048522, CPS기반 정수처리 자동제어 통합플랫폼 관리 프로그램 -시스템 관리 : iWaterCPS.SystemMgmt
9) C-2022-048522, CPS기반 정수처리 자동제어 통합플랫폼 관리 프로그램 -시스템 관리 : iWaterCPS.SystemMgmt
○ 사회적성과-학술회의개최, 1건 (100% 달성)
1) 2021 대한상하수도학회·물환경확회 공동학술발표회 특별세션 개최, 2021
○ 사회적성과-언론매체 홍보실적, 1건 (추가달성)
1) 도시인의 생활 송두리째 뒤바꿀 신기한 기술, 오마이뉴스, 2023.04.08.
○ 경제적성과-기술실시(이전), 1건 (추가달성)
1) 통상실시, 탈착공정용 순환탱크를 구비한 축전식 탈염 정수처리 시스템 및 제어기술, ㈜오투엔비, 10,000,000원

□ 연구개발성과 활용계획 및 기대 효과
[활용계획]
○ 신시장 진출
· 기존 정수장 운전 및 유지관리 기술과는 차별화된 기능 제공을 통한 스마트 시티 등 물산업 신시장 진출을 위한 기술력 확보
○ 전문인력 양성
· 빅데이터 분석, 알고리즘 및 모니터링 시스템 개발, 의사결정지원 시스템을 통한 지능형 O&M 고도화 분야에 관련된 인력을 양성
○ 전문기업 육성
· CPS기반의 운영관리 고도화로 영세한 국내 물 산업 기반을 견인할 수 있는 융복합 고도화 기술 개발 분야로 강소기업 육성
○ 시민안전확보
· 기후변화, 수질사고, 코로나 등으로부터 안전한 CPS 정수장 자동제어 및 운영 유지관리 기술을 보급하여 국민 삶의 질 향상 및 수돗물 신뢰도 향상
[기대효과]
○ 기술적 측면
· 전 세계적으로도 아직 초기단계인 인공지능 기술의 상수도 시설 유지관리 기술 조기 확보 및 미래 핵심기술의 선점
· 정수시설 고장예지 및 건전성 관리에 의한 효율적인 자산관리로 시설관리 지원
· 4차 산업혁명 도래에 따른 스마트시티 구축 핵심기술 중 물분야 특화기술 확보
○ 경제사회적 측면
· 정수장 자율제어와 스마트 먹는 물 생산기반 시스템의 구축으로 국민의 수돗물에 대한 신뢰도를 향상시킬 수 있음
· 정체되어 있는 국내 수도 산업의 신규시장 창출을 통해 강소형 민간 물 기업을 육성하고, 고용창출 효과와 수출 증대 효과를 기대할 수 있음
· 상수도 정수공정이나 시설물 등의 유지관리 단계에서 정확한 의사결정과 판단이 가능하여 비용 최소화, 서비스 중단 최소화 등의 운영 효율성을 극대화 시킬 수 있음
○ 환경적 측면
· 인공지능 기반의 유지관리 기술 고도화에 의한 처리 수질 향상 및 수돗물 생산 에너지 절감 효과
· 화학약품 사용 최소화, 정수처리 에너지비용 절감 등으로 환경영향 저감
· 상수원 수질변동에 효율적으로 대응하는 지능형 시스템 구축으로 유해물질의 유입을 사전차단

(출처 : 요약문 3p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 요 약 문 ... 3
• 목차 ... 9
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 10
• (1) 연구개발 목표 ... 10
• (2) 연구개발 배경 및 필요성 ... 11
• (3) 연구개발 핵심내용 ... 16
• 2. 연구개발과제의 수행 과정 및 수행 내용 ... 21
• (1) 연구개발 수행 과정 ... 21
• (2) 1단계 1차년도 연구개발 내용 및 결과 ... 22
• (3) 1단계 2차년도 연구개발 내용 및 결과 ... 84
• (4) 1단계 3차년도 연구개발 내용 및 결과 ... 174
• (5) 1단계 4차년도 연구개발 내용 및 결과 ... 245
• 3. 연구개발과제의 수행 결과 및 목표 달성 정도 ... 309
• (1) 정성적 연구개발성과 ... 309
• (2) 정량적 연구개발성과 ... 315
• (3) 세부 정량적 연구개발 성과 ... 316
• (4) 계획하지 않은 성과 및 관련 분야 기여사항 ... 321
• 4. 목표 미달 시 원인분석 ... 322
• 5. 연구개발성과의 관련 분야에 대한 기여 정도 ... 323
• 6. 연구개발성과의 관리 및 활용 계획 ... 324
• 7. 연구개발비 사용 실적 ... 325
• 8. 주요 연구변경 사항 ... 326
• 9. 다음 단계 연구개발 계획 ... 327
• (1) 최종 연구개발 목표 및 내용 ... 327
• (2) 단계/연차별 연구개발 목표 및 내용 ... 329
• (3) 국내외 관련 분야 환경변화 ... 356
• (4) 연구개발 추진전략 ... 373
• (5) 연구개발 일정 및 기대성과 ... 376
• (6) 연구개발비 사용 계획 ... 384
• (7) 사업화 추진 계획 ... 388
• (8) 연구개발 성과의 활용방안 및 기대효과 ... 392
• 끝페이지 ... 394