Optimal design of the water supply pipe network aims to minimize construction cost while satisfying the required hydraulic constraints such as the minimum and maximum pressures, and velocity. Since considering one single design factor (i.e., cost) is very vulnerable for including future conditions and cannot satisfy operator’s needs, various design factors should be considered. Hence, this study presents three kinds of design factors (i.e., minimizing construction cost, maximizing reliability, and surplus head) to perform multi-objective optimization design. Harmony Search (HS) Algorithm is used as an optimization technique. As well-known benchmark networks, Hanoi network and Gyeonggi-do P city real world network are used to verify the applicability of the proposed model. In addition, the proposed multi-objective model is also applied to a real water distribution networks and the optimization results were statistically analyzed. The results of the optimal design for the benchmark and real networks indicated much better performance compared to those of existing designs and the other approach (i.e., Genetic Algorithm) in terms of cost and reliability, cost, and surplus head. As a result, this study is expected to contribute for the efficient design of water distribution networks.

When designing Water Distribution System (WDS), determination of life cycle for WDS needs to be preceded. And designer should conduct comprehensive design including maintenance and management strategies based on the determined life cycle. However, there are only a few studies carried out until now, and criteria to determine life cycle of WDS are insufficient. Therefore, methodology to determine life cycle of WDS is introduced in this study by using Life Cycle Energy Analysis (LCEA). LCEA adapts energy as an environmental impact criterion and calculates all required energy through the whole life cycle. The model is build up based on the LCEA methodology and model itself can simulate the aging and breakage of pipes through the target life cycle. In addition the hydraulic analysis program EPANET2.0 is linked to developed model to analyze hydraulic factors. Developed model is applied to two WDSs which are A WDS and B WDS. Model runs for 1yr to maximum 100yr target life cycle for both WDSs to check the energy tendency as well as to determine optimal life cycle. Results show that 40yr and 54yr as optimal life cycle for each WDS, and tendency shows the effective energy is keep changing according to the target life cycle. Introduced methodology is expected to use as an alternative option for determining life cycle of WDS.

상수관망의 운영에 있어서 핵심적인 사항 중의 하나는 관망의 압력균등화이다. 관망의 압력균등화는 시간과 공간적으로 이루어져야 하며 이를 위한 대표적인 방법은 가압장을 설치하는 것이다. 가압장은 관말단에 잔류수압(Residual Pressure Head)이 부족할 것으로 예상될 경우 용수에 추가적인 에너지를 가하여 원활한 용수공급을 가능하게 하는 시설이다. 그러나 가압장에는 펌프를 사용하기 때문에 지속적인 운영비용이 발생하고 기계적인 고장에 취약한 단점을 가지고 있다. 이와 같은 가압장의 단점을 보완하기 위하여 배수관망내에 탱크(In-line Tank)를 설치하는 것이 대안이 될 수 있다. 탱크의 초기투자 비용은 가압장보다 크지만 유지비용이 적고, 고장에 따른 용수공급 중단이 될 가능성이 낮다. 또한, 관파괴에 의한 단수발생시 탱크 인접지역에 비상용수원으로 활용될 수 있다. 그러나 시설비나 부지 문제로 인하여 배수관망에 많은 수의 탱크를 설치하기는 어렵다. 이에 본 연구에서는 배수관망내 필요한 탱크의 개수에 따라 적정배치를 결정할 수 있는 방법론을 제시하였다. 즉, 예산이나 설치부지 등의 제한으로 설치가능한 탱크의 수가 결정되면 이를 최적으로 배치할 수 있는 방법론을 의미한다. 이를 위한 목적함수로 시공간적 관망내 압력 균등지표(Temporal and Spatial Pressure Evenness Index, TSPEI)를 제시하였다. TSPEI 산정은, 먼저 24시간의 Extended Period Simulation을 통하여 절점별로 압력의 일변동(일최대압력-일최소압력)을 산정하고, 두번째로 모든 절점의 압력 일변동을 합산하여 구한다. 이때 가능한 탱크 조합중 TSPEI가 가장 작은 조합이 최적조합이 된다. 제안된 방법을 샘플관망(Mays' network)을 대상으로 적용성을 검증하였다. 그 결과 설치 가능한 탱크의 수를 2개, 3개, 4개로 가정하여 각각의 경우에 대해 최적탱크조합을 산정하였으며, 각각의 탱크 조합에서 일관된 경향이 나타남을 확인하였다.

도시유역의 저지대에서 집중호우에 따른 내수침수의 방지를 위해 빗물펌프장이 설치되어 있다. 현재 국내의 빗물펌프장은 자동화시스템에 의한 펌프 운영으로, 기준수위 도달 시 펌프 가동이 자동적으로 이루어지도록 프로그래밍 되어있다. 빗물펌프장에 설치된 펌프는 기계 및 전기 공급 시스템에 따라 모든 펌프를 한번에 동시 가동할 수 없으며, 현재 빗물펌프장 시스템은 펌프의 on/off가 각각의 펌프 한 대씩 순차적으로 가동하도록 설정되어 있다. 또한 펌프운영의 제한성으로 인하여, 빗물펌프장에 설치된 펌프의 종류에 따른 토출량이 상이할 경우, 펌프의 on/off 가동 순서에 의하여 빗물펌프장 운영의 효율이 달라질 수 있다. 따라서 본 연구에서는 배수 유역면적, 유수지 및 펌프 용량 등 현장 여건에 따라 최적의 펌프 운영을 수행할 수 있는 알고리즘을 활용하여 펌프장의 운영 방식 개선을 통해 펌프 조합 및 on/off의 여러 case를 통해 일반적이고 현장 운영자들이 적용하기 쉬운 운영 방식을 연구하였다.

한반도가 더 이상 지진재해에 안전한 지역이라 확신할 수 없는 상황임에도 불구하고 사회기반시설인 상수관망 시스템의 지진재해에 대한 대응방안이 매우 미흡한 실정이다. 지진피해를 최소화하기 위해서는 시스템의 사전 보강 및 내진설계가 선행되어야 한다. 하지만, 자연재해를 완전히 대비할 수 없는 현실을 감안하면 재해가 발생한 이후에 상실된 시스템의 기능을 최대한 신속히 복구하는 노력이 더욱 중요하다 할 수 있다. 본 연구에서는 지진발생 시 시스템의 신속한 대응 및 복원을 위한 컴퓨터 기반 시뮬레이션 모형의 개발방안을 제시하였다. 이를 위해 과거 한반도에 발생한 지진자료와 일본, 대만, 미국 등 해외에서 발생한 과거 지진피해 사례, 관련 데이터, 연구 등을 종합적으로 검토하여 다양한 시나리오의 구성이 가능하도록 하였다. 또한, 정밀한 수리해석을 통해 지진발생 후 시간에 따른 시스템의 복구진행상황을 정량화하여 시간모의가 가능하도록 하였다. 개발 모형은 재해발생에 따른 시스템의 상태를 Risk-free, Virtual 환경에서 구현할 수 있다는 장점이 있다. 따라서, 사후 복구 측면에서의 시스템 복원력 증진을 도모하고 실무자들의 신속한 시스템 복구대책을 마련하기 위한 (복구순서 결정, 복구인력 및 장비 배치 등) 중요한 의사결정 수단으로 활용될 수 있을 것이다.

최근 한국 근해 및 내륙에서 발생되는 지진의 횟수가 증가함에 따라 지진피해 가능성에 대한 우려가 증가되고 있으며, 지진재해가 발생하였을 경우 신속한 대책을 마련해야 한다는 필요성이 부각되고 있다. 그러나 대규모 사회기반 시설중의 하나인 상수관망 시스템의 경우, 국내 전체 503개소 중 현행 내진설계기준을 만족하는 곳이 전무(소방방재청, 2013)할 정도로 지진재해에 매우 취약하다. 상수도 시설의 경우 구조해석을 통한 개별 구조물의 내진성능평가 뿐 만 아니라, 물 공급가능성을 포함하는 수리학적 위험도(또는 신뢰도) 평가가 반드시 필요하다. 본 연구에서는 수리해석을 기반으로 한 상수관망 지진재해 위험도 산정 프로그램을 개발하였다. 이를 위해 과거 한반도에 발생한 지진자료를 활용하여 지진 발생시나리오를 구성하는 모듈을 구축하였다. 또한 지진 발생에 의해 나타나는 상수도 관망 구성요소(관로, 펌프, 배수지)의 피해 상태를 취약도 함수에 의해 결정하고, 이를 적절히 반영하여 수리해석 결과가 도출되도록 모형화하였다. 본 연구에서 개발된 프로그램을 실제 상수관망 시스템에 적용한 결과, 적용지역에 가까운 곳에서 발생한 과거 지진을 상정하였을 경우 나타난 신뢰도는 지진 재해에 의한 피해를 무시할 수 있는 수준은 아니었으며, 특히 설계 기준에 해당하는 큰 강도의 지진이 발생할 경우 상수관망 시스템의 전반적인 마비가 초래될 수 있음을 확인하였다. 따라서 본 모형은 상수관망의 설계와 사전보강을 위한 의사결정 수단으로 활용될 수 있을 것으로 판단된다.

물은 인간의 생존에 가장 필수적인 요소 중 하나이다. 상수관망 시스템은 수용가에게 적합한 수량, 수질, 그리고 수압을 만족시키며 물을 공급하는 것을 목적으로 한다. 따라서 급수 구역의 수요와 수질기준을 만족시키는 적절한 수량과 수질의 용수를 적절한 수압으로 공급할 수 있도록 수도시설을 효율적이고 안정적으로 관리하는 것은 매우 중요하다. 특히, 상수관은 매설년도, 관종, 매설환경 및 사고이력 등에 따라 노후가 진행 되며, 이것은 관을 통한 흐름의 수두 손실 증가에 의한 수압저하로 나타나게 된다. 결국 수용가가 필요로 하는 적절한 양의 물을 공급할 수 없으며, 또한 정수 처리된 용수의 수질을 유지할 수 없는 문제가 발생한다. 따라서 본 연구에서는 16개의 관과 11개의 복합절점으로 구성된 가상관망에 대하여 경제적, 수리학적 영향을 고려한 노후관거의 최적 개량 의사결정을 수행하였다. 목적함수는 관망의 교체, 갱생, 유지보수 비용을 포함하는 개량비용과, 개량 시 양수비용 절감으로 산정되는 개선이익의 합을 최소화 하는 것으로 결정하였다. 최적화 기법은 Geem et al.(2001)이 제안한바 있는 Harmony Search(HS) 알고리즘을 기반으로, 해탐색의 효율성과 사용성을 높이기 위해 Fuzzy 기법과 Parameter Setting Free(PSF) 기법을 결합한 알고리즘을 개발하여 사용하였다. 즉, 기존 HS 기법의 첫 단계인 Harmony Memory(HM)를 구성하는 과정에서 초기해의 적합도를 향상시키기 위해 Fuzzy 기법을 적용하였으며, 이를 통해 관의 특성과 관 파손이 전체관망에 미치는 영향을 정량화하여 개량 우선순위를 산정하였다. 또한 반복횟수의 증가에 따른 HS 알고리즘의 수렴성과 매개변수 결정의 어려움을 개선하기 위해 HS의 매개변수를 자동적으로 조절하는 Gibbs et al.(2010)과 Geem and Sim(2010)의 Parameter Setting Free Harmony Search(PSF-HS) 알고리즘을 적용하여 최적 개량 계획을 도출하였다. 적용 결과, 1. 우선 기존 HS 알고리즘의 적용 결과 상수관망의 최적 개량 의사결정을 할 수 있음을 확인하였으며, 2. 초기해의 구성에 Fuzzy 기법을 적용하여 HM의 초기 적합도를 향상(초기 HM의 평균 목적함수 값을 약 14.47% 감소시킴)시켰으며, 3. 추가적으로 PSF-HS 알고리즘을 적용하여 기존 HS의 매개변수 결정의 편의성 향상과 알고리즘의 수렴 속도 개선(최적해 도출 반복 시행수를 약 40%로 감소시킴) 효과를 얻을 수 있었다.

상수관망에서 관파괴가 발생할 경우 제수밸브의 차폐를 통하여 일정 부분의 상수관망이 다른 부분으로부터 격리되게 된다. 이러한 영역을 segment라고 정의하고 이에 대한 다양한 연구가 진행되었다. segment에 포함되는 상수관은 물흐름이 차단되기 때문에 단수가 발생하게 된다. 또한 segment의 차폐에 의해서 추가적으로 단수가 되는 영역이 발생할 수 있고 이러한 영역을 unintended isolation(UI)으로 정의된다. 상수관망을 운영하는 측면에서 관파괴는 피할 수 없는 문제이기 때문에 관파괴가 발생할 경우 단수에 의한 피해를 최소화하는 것이 중요하다. 이를 위해서는 대규모 피해를 야기하는 대규모 segment가 발생하지 않도록 해야 한다. 그러나 대규모 segment는 상수관망의 구조(water supply network topology)와 제수밸브의 배치에 따라 발생한다. 따라서 본 논문에서는 이러한 대규모 segment를 파악하고 적절한 위치에 제수밸브를 추가하여 대규모 segment를 분할하는 방안을 제시하여 관파괴에 따른 상수관망의 피해를 최소화하는 방안을 제시하였다. 대규모 segment 분할을 위한 모형은 네가지 모듈로 구성되어 있다. 첫 번째는 상수관망에 존재하는 모든 segment를 정의하고 segment와 연관된 UI를 정의하는 모듈이다. 두 번째 모듈은 정의된 segment별로 단수피해를 정량화하여 segment별 등급을 부여하는 모듈이다. 세 번째는 단수피해기준 대규모 segment별로 분할을 위한 제수밸브 위치 결정 모듈이다. 네 번째 모듈은 추가된 제수밸브에 의한 상수관망 피해 저감효과를 분석하는 상수관망 신뢰도 산정 모듈이다. 세 번째 모듈의 경우 수학적인 방법이 아닌 상수관망 운영주체가 직접 적용할 수 있도록 다섯 가지 기준을 제시하여 적정 제수밸브 위치를 결정하도록 하였다. 제안된 모형을 이스라엘의 실제 상수관망에 적용하여 적용성을 검증하였다.

상수관망의 노후화에 따라 관파괴와 같은 상수관망의 용수공급 성능을 저하시키는 사고가 자주 발생하게 된다. 이때 파괴부분의 수리나 유지보수를 위해서 물의 흐름을 차단해야 하며 이를 위해서 제수밸브를 차폐하게 된다. 제수밸브는 상수관망 전체에 넓게 분포하고 있으며 설치개수도 관망의 크기에 따라 만개 이상이 설치되어 있다. 이러한 이유로 제수밸브의 유지보수에는 많은 시간과 노력이 필요하다. 제한된 인력과 비용으로 최대의 효과를 얻기 위해서는 제수밸브의 중요도를 평가, 등급화 한 후 중요한 제수밸브들을 우선적으로 관리하는 것이 효율적이다. 본 연구에서는 제수밸브의 중요도 등급을 결정하는 기법을 다수의 실제 상수관망에 적용하여 제수밸브별 상대적 중요도를 산정하고 산정된 결과를 분석하여 실제 상수관망에서 제수밸브 중요도의 특성을 파악하고자 하였다. 상수관의 관파괴에 의한 단수의 피해는 단수인구로 정량화하였으며 이를 위해서 segment 및 unintended isolation을 전체 상수관망을 대상으로 결정하였다. 이를 바탕으로 제수밸브의 중요도는 VII(Valve Importance Index)로 정량화 되었다. 적용된 실제 상수관망은 국내 10개 중블록, 국외 3개 관망이다. 제수밸브의 중요도 특성 파악결과, 배수지에 가까운 제수밸브와 같이 명백하게 중요한 밸브 이외에도 관망의 중앙부분에 위치한 제수밸브도 중요한 경우가 많았으며 관망의 구조적인 연결성에도 많은 영향을 받고 있음을 확인하였다.

본 연구에서는 부트스트랩(Bootstrap) 기법을 이용하여 측우기 강우량 관측계열(CWK)과 근대우량계 강우량 관측 계열(MRG)에 대해 동질성 분석을 실시하였다. 서로 다른 두 자료계열에 대한 전통적인 통계적 동질성 검정 방법은 모집단의 분포형을 알고 있어야 검정결과가 유효하였기 때문에 모집단의 분포가 복잡한 기상자료들은 이러한 전통적 방법을 사용하여 동질성을 파악하는 것이 매우 어려웠고 결과로 제시된 통계적 유의성에 대해서도 의심의 여지가 있었다.

상수관망의 유지 관리를 위한 최적 압력 계측 위치 선정은 효율적인 상수관망 운영을 위해 필수적이다. 본 연구에서는 최적 압력 계측 위치 결정에 기존 연구의 단점을 보완하기 위하여 정보이론인 엔트로피 이론을 사용하였다. 기존의 방법은 실측자료를 이용한 검 보정이 필요로 하기에 체계적인 관리가 미흡한 지역에서는 적용이 어려운 단점이 있다. 또한 대부분의 연구가 상수관망 모형의 정확도를 높이며 측정비용을 최소화하는 절점을 제안하였으며, 이는 상수관망 유지 관

상수관망의 노후관 교체시 신설관의 관경 결정은 상수관망의 장기적인 신뢰도 향상에 기여할 수 있는 중요한 문제이다. 그러나 대구경 관의 사용은 공사비 증가를 가져오기 때문에 적절한 관경의 결정을 위해서 대구경 관 사용에 따른 신뢰도 향상정도를 평가해야 한다. 본 연구에서는 상수관경의 변화가 상수관망의 신뢰도 향상에 미치는 영향을 평가할 수 있는 방법을 제안한다. 이를 위하여 Segment 기반의 Minimum Cutset 및 Success Mode App