Currently, there is no definitive regulation for the appropriate frequency of data sampling in water distribution networks, yet it plays a crucial role in the efficient operation of these systems. This study proposes a new methodology for determining the optimal frequency of data acquisition in water distribution networks. Based on the decomposition of signals using harmonic series, this methodology has been validated using actual data from water distribution networks. By analyzing 12 types of data collected from two points, it was demonstrated that utilizing the factors and cumulative periodograms of harmonic series enables similar accuracy at lower data acquisition frequencies compared to the original signals.

Aging water pipe networks hinder efficient management of important water service indices such as revenue water and leakage ratio due to pipe breakage and malfunctioning of pipe appurtenance. In order to control leakage in water pipe networks, various methods such as the minimum night flow analysis and sound waves method have been used. However, the accuracy and efficiency of detecting water leak by these methods need to be improved due to the increase of water consumption at night. In this study the Principal Component Analysis (PCA) technique was applied to the night water flow data of 426 days collected from a water distribution system in the interval of one hour. Based on the PCA technique, computational algorithms were developed to narrow the time windows for efficient execution of leak detection job. The algorithms were programmed on computer using the MATLAB. The presented techniques are expected to contribute to the efficient management of water pipe networks by providing more effective time windows for the detection of the anomaly of pipe network such as leak or abnormal demand.

District Metered Area (DMA) construction is one of the most cost effective alternatives for management of water loss (i.e., water leakage) and energy consumption (i.e., water pressure) in water distribution systems. Therefore, it’s being implemented to numerous new and existing water distribution systems worldwide. However, due to the complexity of water distribution systems, especially large-scale and highly looped systems, it is still very difficult to define the optimal boundary of DMAs considering all the aspects of water distribution system management requirements. In this study, a DMA design methodology (or a DMA design model) was developed with Geographic Information Systems (GIS) and hydraulic distribution system model to determine the optimal DMA boundary.

This study was carried out to analyze water suspension in the water supply system through fault tree analysis. And quantitative factors was evaluated to minimize water suspension. Consequently the aim of this study is to build optimal planning by analyzing scenarios for water suspension.Accordingly the fault tree model makes it possible to estimate risks for water suspension, current risks is 92.23 m3/day. The result of scenario analysis by pipe replacement, risks for water suspension was reduced 7.02 m3/day when replacing WD4 pipe. As a result of scenario analysis by water district connections, the amount of risk reduction is maximized when it is connecting to network pipe of D Zone. Therefore, connecting to network pipe for D Zone would be optimal to reduce risk for water suspension.

본 연구에서는 상수관망의 최적 수압모니터링 지점선정 알고리즘과 역추적 계산법을 이용한 누수탐지 알고리즘을 개발하였고 파일럿 플랜트에서 실험을 통해 검증하였다. 먼저 누수탐지를 위한 최적의 모니터링 지점선정을 선정하고 압력계를 설치하여 누수로 인한 압력변위를 측정하였다. 누수탐지를 위한 역추적계산법의 검증을 위하여 누수탐지를 수행하였고 파일럿플랜트에서 실제 재현된 누수의 지점과 누수량을 정확하게 산정하였다. 누수량을 0.0005 m3/s로부터 0.0018 m3/s까지 변화시키며 누수를 재현하였고 누수지점에 근접한 장소를 찾는데 성공하였다. 본 연구에 서는 실험을 통해서 누수탐지기법으로 사용된 역추적계산법이 유효함을 검증할 수 있었다.

상수관망 시스템은 다수의 이용자에게 용수를 공급하기 위한 사회기반시설물로써, 적절한 수압을 유지하고 안정적으로 용수를 공급할 수 있어 야 한다. 따라서 안정적인 설계와 효율적인 운영을 위해서는 상수관망 시스템의 용수 공급능력을 정량적으로 파악하는 것이 중요하다. 이러한 노력 의 일환으로 상수관망 시스템 내 에너지 거동을 통해 신뢰도를 정량화한 신뢰도 지수가 다양한 방법으로 개발되어 왔다. 대부분의 신뢰도 지수는 공통적으로 절점에서의 최소요구수두 및 초과수두의 형태로 공급된 에너지를 기반으로 산정되며, 일부 지수의 경우 상수관망에 공급된 총 에너지 또는 용수 공급과정에서 손실된 에너지를 추가적으로 고려하여 산정된다. 본 연구에서는 상수관망의 용수 공급 과정에 따른 에너지 구성 요소를 소 개하였으며 기존에 개발된 몇 가지 신뢰도 지수를 대상으로, 상수관망의 공급부하 상황을 고려한 시나리오 분석을 통해 신뢰도 지수의 적용성을 알 아보고자 하였다. 또한, 각 절점 별 지수값을 도시함으로써, 상수관망 내 신뢰도의 공간적 분포를 나타내어 분석함으로써 보다 확장된 시스템 신뢰 도 지수의 활용방안을 제시하였다.

대규모 상수관망 시스템의 운영비용 절감을 위한 펌프장 운영 최적화 연구가 최근 활발히 진행되고 있다. 이러한 상수관망 시스템 운영 최적화에 대한 연구를 수행하기 위해서는 짧게는 24시간, 길게는 1주일 이상의 시간모의가 필수적이 며, 최적화 알고리즘과의 연계를 통한 시뮬레이션이 요구된다. 대규모 상수관망의 경우 관로 및 절점의 수가 수 천 혹은 수 만개에 달해 수리해석 및 최적화에 많은 시간이 소요되며 실시간 운영을 목적으로 하는 경우 모형의 적용에 한계가 발생한다. 이처럼 모의시간에 대한 문제를 해결하기 위해서는 해당 상수관망 시스템의 수리 거동, 수질 해석 결과를 변화시키지 않는 범위에서 관망을 간소화 할 필요가 있다. 본 연구에서는 국내에서 실제로 운영되고 있는 송, 배수 시스템의 일부를 대상으로 시스템 간소화, 즉 골격화(Skeletonization) 연구를 진행하였으며, 모두 네 가지의 골격화 기법을 비교, 평가하였다. 본 연구에서 제안된 골격화 기법을 통해 대규모 상수관망의 해석에 소요되는 시간을 단축함으로써, 실제 상수관망의 실시간 운영 모듈 개발에 도움이 될 것으로 기대한다.

상수관은 급격한 기온 변화나 지진에 의한 지반의 변이 및 노후화에 의해 파단이 일어나게 된다. 관의 파단은 상수관망에서 발생할 수 있는 가장 흔한 파괴 상황 중 하나로 시스템으로 공급되는 전체 유량과 관망 내 수두 손실을 증가시킨다. 이러한 변화는 시스템 내에 설치된 압력 및 유량계의 측정값에 영향을 주며 사용성을 저하시킨다. 관 파괴 탐지가 지연되면 주위 지반의 액상화에 의해 싱크홀이 발생하게 되어 복구 시간 및 비용 (사회적 비용 포함)의 증가를 야기하기도 한다. 따라서, 관 파단의 정확하고 신속한 탐지가 필요하다. 본 연구에서는 공정관리 및 품질공학에서 적용되어온 통계적 공정관리 방법을 관 파단 탐지에 적용하였다. 시스템 내에 설치된 압력 및 유량계로부터 측정된 시계열 값을 과거 통계 값과 비교하여 관 파단 여부를 결정하였다. 실제 네트워크에서 수요량의 변동성을 고려해 발생시킨 압력 및 유량 자료를 이용하여 단변량과 다변량 방법을 포함, 총 여섯 가지 통계적 공정관리 방법의 성능을 비교하였다.

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.

최근의 기후변화에 따른 이상가뭄 발생가능성의 증대와 상수원 오염사고 등으로 인하여 상수관망에 의한 물공급의 중단현상이 자주 발생하고 있다. 상수관망에서 제한급수를 실시하는 이유는 확보된 원수의 양이 절대부족한 경우가 가장 많다. 2008년부터 2009년 초까지 태백권 제한급수는 이 지역의 상수원인 광동댐의 저수량 감소에 기인하며 이는 겨울 가뭄이 심화되었기 때문이다. 이와 같이 제한급수를 시행해야할 상황이 발생하면 급수량을 평시대비해서 줄이게 되며 감소된 급수량에 따라 피해가 발생하게 된다. 따라서 이와 같이 제한된 급수량을 효율적으로 활용하게 되면 기왕에 발생하는 제한급수에 따른 피해를 최소화 할 수 있을 것이다. 본 논문에서는 블록화 시스템으로 구성된 상수관망을 대상으로 개별 블록을 대상으로 제한된 양의 물공급 우선순위를 결정하여 제한급수에 따른 영향을 최소화 할 수 있는 방안을 제시하였다. 제안된 모형의 구성은 블록별 물 수요 특성을 고려하여 선취적 우선순위(Preemptive priority)를 설정한 후 선취적 목표계획(Preemptive Goal Programming)으로 최적해(제한급수의 피해의 최소화 또는 제한급수 효과의 최대화)를 도출하도록 하였다. 수요의 선후 관계가 불분명할 경우 AHP로 가중치를 부여하여 결정하도록 하였다. 목적함수는 모든 블록의 수요 미충족에 대한 벌점의 합을 최소화하도록 식을 구성하였고 주요제약식(constraint)은 배수지의 공급량, 블록별 흐름량, 미충족량 산정등으로 하였다. 수요의 우선순위 요소는 실제 상수관망을 운영하는 지자체와 수자원공사 연구소의 전문가를 대상으로 인터뷰를 통하여 결정하였고 제안된 모형을 가상 블록을 대상으로 적용하여 적용성을 검증하였다. 추후 실제 상수도 사업소 자료를 바탕으로 모형을 적용할 예정이다.

본 연구에서는 HSPDA모형을 기반으로 한 상수관망의 신뢰도분석 방안을 제안하였다. 대표적인 상수관망의 신뢰도분석 방법으로는 수량과 수압의 확보가 불가능한 수요절점을 산정하고 필요수량/공급가능수량 혹은 압력확보절점수/전체절점수 등을 계산하여 상수관망이 얼마나 신뢰할 수 있는가를 판단하는 것이 있다. 이를 계산하기 위해서는 수리모형을 이용한 상수관망의 모의가 필요하나 절점의 압력과는 상관없이 항상 모든 용수량은 공급가능하다는 가정을 사용하는 Demand-

본 연구에서는 부정류 상태의 조압수조를 해석 할 수 있는 수치모형이 개발되었다. 그리고 부정류 효과를 고려한 파이프의 파괴확률 산정을 위한 신뢰성 모형이 개발되었다. 파이프 파괴의 상대적 위험도 평가와 조압수조의 기능성 평가를 위해 부정류 효과를 고려한 조압수조가 있는 상수관망 시스템의 파괴확률을 산정하였다. 신뢰성 해석을 통하여 부정류가 파괴확률을 크게 증가 시키는 것을 알 수 있었으며 조압수조가 부정류의 압력을 크게 감쇠시킴으로써 파괴확률을 현저히

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

본 연구에서는 실제 대형 상수관망에서 보다 효율적이면서도 정확한 신뢰도를 추정할 수 있는 segment를 기반으로 한 minimum cutset 방법을 제안하였다. 기존의 상수관망에서 minimum outset을 기반으로 한 모형은 상수관을 minimum outset의 최소단위로 다루어 상수관 파괴에 따른 피해영역을 과소산정할 수 있는 문제점을 가지고 있다. 그러나 제안된 신뢰도 추정 모형은 기존 신뢰도 추정 모형과 달리, 상수관 파괴에 따른 피해영역을

본 연구에서는 점진적인 유량 및 압력이 변화하는 상수관망에서 Rigid Water Column Theory를 이용하여 정상모형의 확장기간 모의해석보다 정확하고 수충격 해석보다는 계산비용 및 노력 측면에서 효율적으로 장시간 부정류 해석 모형을 개발하였다. 개발된 모형을 이용하여 실제관망에 대하여 24 시간 열 수요량을 고려한 부정류 해석 및 밸브폐쇄로 인한 수충격해석 모의에 적용하였고 해석 결과는 다음과 같다. 24 시간 일변화 모의의 경우에 수요량이 증