KR101042176B1 - 실시간 일별 최소유량 구간 분석에 의한 손실량 산정 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 기존의 총괄수량 수지분석에 의한 손실량 산정의 부정확성을 해결하기 위한 기술로서 야간시간대 발생하는 유량데이터에 대한 추세분석을 통해 수용가의 야간사용량 및 손실량을 추정하는 시스템에 관한 것이다. 종래의 야간 사용량 및 손실량 분석은 월별로 수집되는 수용가 검침량과 계측되는 공급유량데이터에 기반하여 분석이 수행되므로 실시간 유/누수 분석이 불가능하지만, 본 발명은 검침량 데이터를 기반으로 한 것이 아니고 실시간 계측 야간유량데이터에 대한 회귀 분석을 이용한 추세 선의 분석을 수행하므로 일별 야간 최소 사용량 및 손실량 등을 실시간으로 파악할 수 있는 것이다.

Description

실시간 일별 최소유량 구간 분석에 의한 손실량 산정 방법{Real Time Loss Computation Method by using Minimum Night Flow}

기존의 단순 검침량을 기초로 하는 총괄수량 수지분석 방법은 구역(소블록)별 공급유량의 경우 실시간 수집되는데 반해 수용가 검침데이터는 월별로 수집되므로 용수사용량/손실량에 대한 실시간 분석이 불가능하다. 또한 수용가 검침데이터의 경우 구역(소블록) 내에서도 검침을 위해 검침구역을 분할하여 조사하므로 검침일자가 상이하여 부정확한 용수사용량 합계가 산정되는 것이 일반적이다.

따라서 본 발명은 기존의 총괄수량 수지분석에 의한 손실량 산정의 부정확성을 해결하기 위한 기술로서 야간시간대 발생하는 유량데이터에 대한 추세분석을 통해 수용가의 야간사용량 및 손실량을 추정하는 시스템에 관한 것이다. 종래의 야간 사용량 및 손실량 분석은 월별로 수집되는 수용가 검침량과 계측되는 공급유량 데이터에 기반하여 분석이 수행되므로 실시간 유/누수 분석이 불가능하지만, 본 발명은 검침량 데이터를 기반으로 한 것이 아니고 실시간 계측 야간유량데이터에 대한 추세분석을 수행하므로 일별 유/누수 분석이 가능한 것이다.

종래의 단순 검침량 기반 총괄수량 수지분석 방법은 구역(소블록)별 공급유량의 경우 실시간 수집되는데 반해 수용가 검침데이터는 월별로 수집되므로 용수 사용량/손실량에 대한 실시간 분석이 불가능하다. 또한 수용가 검침데이터의 경우 구역(소블록)내에서도 검침을 위해 검침구역을 분할하여 조사하므로 소블록 내에서도 검침일이 상이한 것이다. 따라서 공급 유량 데이터의 수집 시간대와 용수 사용량 및 손실량 데이터 등의 수집 시간대의 차이에 의하여 부정확한 용수사용량 합계가 산정되는 것이다.

또한 도 1은 본 출원인이 선 출원한 공급 유량 측정 시간대와 검침량 측정 시간대를 보정하여 손실량을 산정하는 종래 손실량 산정 시스템을 나타낸 것이다. 상기도 1에서 종래의 손실량 산정 시스템은 손실량 계수, 관로 길이 및 급수전수 데이타 등을 저장 관리하고 각각의 산정모듈에서 요구하는 기초 데이타를 제공하는 GIS DB(13), 수용가 검침량을 저장 관리하고 각각의 산정모듈에서 요구 시 제공하는 수용가 검침량 DB(14), 소블록의 공급유량/압력 데이타를 수집, 저장관리하는 공급유량/압력 DB(15), 사업소 사용량, 공공사용량, 도수량 등의 무수수량을 저장관리하는 무수수량 DB(16), 관로 길이, 무수수량 등 필요한 정보를 입력하는 입력부(11), 상기의 각각의 데이타 또는 각각의 산정모듈에서 가공된 그래프 등을 표출하는 디스플레이부(12), 보정계수 α, 수용가 검침량 DB 및 공급유량/압력 DB를 기초로 산정되는 월단위 유수율/손실량 분석모듈(18), 월단위 누수율/손실량 분석모듈(18)과 초기화 값 β와 공급유량/압력DB 데이타를 기초로 산정하는 일단위 유수율/손실량 분석모듈(21), 계량기 불감수량, 공공사용량,도수량 등의 데이터가 저장된 무수수량 DB(16)으로부터 기간별로 무수수량을 산정하는 무수수량 산정모듈(19), BABE Concept에 의해 손실량을 산정하는 압력기반 누수산정 모듈(20), 상기 월단위 유수율/손실량 분석모듈로부터 산정된 손실량을 기초로하여 산정된 관망상태인자(ICF)와 상기 일단위 유수율/손실량 분석모듈로부터 산정된 수압보정인자(PCF)를 기초로 하여 손실량을 산정하는 압력기반 손실량 산정모듈(15)과 상기 각각의 모듈을 제어하고 입력부(11)와 디스플레이부(12)를 제어하는 중앙제어부(10)로 구성되어 있음을 보여주고 있는 것이다. 상기 각각의 모듈에는 모듈에서 가공된 데이터 및 정보들을 저장하고 있으며 중앙제어부(10)의 입출력 명령에 따라 상기 디스플레이부(12)에 데이터 및 정보들을 표출하는 것이다.

상기와 같은 종래의 기술은 공급 유량 수집 시간대와 수용가 사용량 검침 데이터의 수집시간대의 차이로 인하여 일별 손실량의 정확한 산정이 어려운 것이 현실이고, 또한 보정 계수에 의한 수용가 사용량의 검침 데이터 수집시간대를 보정하여 손실량을 추정하는 것도 오차가 있을 수밖에 없다. 따라서 본 발명은 손실량 산정의 오차를 줄이기 위한 것으로 야간 시간대 발생하는 유량 데이터의 추세 분석을 통하여 수용가의 야간 사용량과 손실량을 보다 정확하게 산정하는 것에 관한 것이다.

상기와 같은 종래의 손실량 산정 시스템의 문제점을 해결하기 위한 본 발명은 일별 수집되는 공급 유량데이터 중에서 최소유량(일반적으로 야간 시간대 발생) 발생 구간의 유량 데이터의 패턴을 분석하여 감소부(D-zone), 기저부(B-zone), 증가부(I-zone) 등 3 구역으로 구분하고 각각의 구역은 시간대에 따라 상이한 활동인구수, 주거/상업/공업 등의 업종 형태 및 생활 수준에 따른 원 단위, 기후 등에 의하여 추세가 상이하게 나타나는 것이다. 따라서 실제로 이러한 다양한 인자(Factor)들이 시간대별로 기준 패턴(standaed demand pattern)에 어느 정도로 가중/가감되어 추세를 결정하는지에 대한 해석은 어려우나 회귀 분석을 통해 결과적으로 추세분석이 가능한 것이다. 따라서 본 발명은 상기와 같은 회귀 분석을 통한 추세 분석에 의하여 야간 최소 사용량과 손실량 등을 추정하는 것에 관한 것이다.

상기와 같은 회귀 분석을 통하여 최소 유량 발생 구간의 패턴을 분석하면 일별 손실량을 보다 정확하게 추정할 수 있는 효과가 있는 것이다. 또한 상기 최소 유량 발생 구간의 패턴 분석을 시스템을 통하여 실시함으로써 손실량을 용이하게 추정할 수 있는 효과가 있으며 실시간으로 수집되는 유량 데이터를 사용하면 실시간으로 손실량 및 야간 최소 사용량을 파악할 수 있는 효과가 있는 것이다.

도 1은 공급 유량 측정 시간대와 검침량 측정 시간대를 보정하여 손실량을 산정하는 종래 손실량 산정 시스템,
도 2는 일별 시간대별 유량에 관한 그래프,
도 3는 일별 유량 곡선에서 분석에 필요한 데이터 추출 구간을 나타낸 그래프,
도 4는 블복별 평가지표 알고리즘 유량 데이터 영역 분할 그래프,
도 5는 블록별 평가 지표 알고리즘에 의한 추세선과 영역 분할 그래프,
도 6은 블록 수용가의 유량 데이터의 추출구간에 대하여 본 발명 다항식을 적용한 추세선 그래프,
도 7은 회귀 분석을 통한 야간 최소 유량 및 손실량 산정 흐름도,
도 8은 블록 정보에 관한 시스템 화면,
도 9은 1분 단위의 유량 데이터 수집 현황,
도 10는 본 발명 회귀 분석에 의한 분석결과인 손실량, 사용 용수량 등에 대한 그래프이다.

상기와 같은 목적을 가진 본 발명을 도 2 내지 도 10을 참조하여 설명하면 다음과 같다. 상기도 2는 본 발명을 적용하고자 하는 일정 구역에 있어서 도 1과 같은 시스템을 통하여 수집되는 시간대별 사용 유량(10분 단위의 수집 데이터)을 나타낸 것으로 야간 최소 유량 발생 시점을 알 수 있는 것이다. 상기도 2에서 원 안의 야간 최소 유량 발생 구간을 다시 감소부(Decrease-Zone), 기저부(Basis Zone), 증가부( Increase Zone) 등으로 구분할 수 있으며, 상기에서 감소부는 야간에 활동이 감소하는 인구의 경향과 야간 용수 사용 경향에 의한 유량 패턴을 나타내는 것이다. 또한 증가부는 기저부를 지나서 활동이 증가하는 경향과 주간 용수 사용 경향에 의한 유량 패턴을 나타내는 것이다. 따라서 일별 최소 유량이 야간 시간대에 발생하는 것으로 가정하고 기저부를 제외한 회귀 분석 추세 선을 산정할 경우 최저점은 야간 인구가 '0' 또는 야간 용수 사용량이 '0'이라고 간주하는 것이다. 따라서 시스템을 통하여 기저부를 제외한 유량 데이터 경향은 다항식 추세 선을 통해 표현할 수 있으며, 이를 통해 야간 사용량과 손실량을 추정하는 것이다. 즉 상기도 2에서 야간 시간대의 유량 데이터의 추세 분석에 의하여 야간 최소 유량은 야간 최소 사용량과 손실량의 합으로 간주할 수 있는 것이다.

도 3은 상기와 같은 야간 사용량과 손실량을 추정하는 것이 가능하도록 하기 위하여 일정 구역의 추세 분석을 위한 시스템의 디스플레이 상에 표출된 데이터 추출 구간을 나타내는 그래프이다. 상기도 3에서 데이타 추출 구간은 야간 최소 유량의 전후 구간을 적용하여 추출하는 것이다. 이는 일별 최소 유량이 야간 시간대에 발생하기 때문이다.

상기와 같이 분석을 위한 데이터 추출 구간을 확정한 후에 상기 추출 구간을 감소부, 기저부 및 증가부로 구분하여 분석하는 것이다. 상기도 4는 어느 일정 구역의 하루의 야간 최소 사용량 발생 전후를 감소부, 기저부 및 증가부로 구분한 것을 나타내는 것이다. 상기도 4에서 감소부(Decrease- Zone)는 일반적으로 18:00 ~ 24:00 사이에 존재하며, 용수를 사용하는 급수 인구와 1인당 용수 사용량이 주간에 비해 감소하기 시작한다. 이러한 용수 사용 급수 인구와 용수 사용량의 감소 패턴은 금일 새벽 시간대에 급수 인구가 증가하기 시작하는 시점 즉 지체 현상이 발생하는 시점까지 계속되는 것이다. 또한 증가부(Increase- Zone)의 시작은 금일 새벽 시간대(일반적으로 02:00 ~ 04:00)에 존재하며 용수를 사용하는 급수 인구와 1인당 용수 사용량이 증가하기 시작한다. 일반적인 구역 내의 일 최대 유량은 증가부에서 나타난다. 또한 기저부(Basis-Zone)는 심야 비활동 시간에 형성되는 감소부와 아침 활동 시간에 형성되는 증가부 사이에 형성된다. 기저부는 감소부와 증가부의 뚜렷한 수요 특성과는 달리 감소/증가하는 급수 인구와 용수 사용 추세가 혼재되어 있는 구간으로 비정상적인 수요 특성을 가지고 있으며 추정이나 예측이 어려운 구간이다.

도 5는 일정 구역의 데이터 추출 구간에 대하여 감소부, 기저부 및 증가부를 구분하고 시스템을 통하여 추세 선을 생성한 상태의 그래프이다.

상기도 5에서 기저부의 시점과 종점을 정의하는 방법은 다음과 같다. 먼저 감소부의 시점부터 야간 최소 유량값(Minimum Night Flow)까지의 데이터에 대한 회귀분석을 통해 선형 추세 선(Linear Trendline)을 산정하고 선형 추세 선과 상기 구간의 데이터와의 접점을 찾는다. 상기 구간의 데이터를 각각 선형 추세 선에 입력하여 최소의 y 값을 도출하는 x 값을 기저부의 시점으로 정의한다. 기저부의 종점의 경우, 먼저 야간최소 유량 값에서부터 증가부의 종점까지의 데이터에 대한 회귀분석을 통하여 선형 추세 선을 산정하고 선형 추세 선과 상기 구간의 데이터의 접점을 찾는다. 상기 구간의 데이터를 각각 선형 추세 선에 입력하여 최소의 y 값을 도출하는 x 값을 기저부의 종점으로 정의한다. 상기도 5에서 야간 최소 유량 전후의 실제 유량 패턴에서의 최저점과 생성된 추세 선의 최저점은 차이가 있으며, 상기와 같은 실제 유량 패턴에서의 최저점과 생성된 추세 선의 최저점의 차이가 야간 최소 사용량이 되는 것이다. 상기도 2는 야간 최소 유량 전후의 실제 유량 패턴의 최저점과 생성된 추세 선의 최저점과의 차이를 야간 최소 사용량으로 나타내고 있는 것이다.

상기와 같이 추세분석을 통하여 야간 최소 사용량과 손실량을 추정하기 위하여 회귀 분석법을 이용하면 다음과 같다. 먼저 수집된 유량 데이터 DB에서 분석 대상 구간을 추출하고 유량 패턴에 따른 영역 정의가 끝나면 감소부, 증가부를 이용하여 회귀 분석을 통하여 추세 분석을 수행한다. 상기와 같은 추세 분석은 시스템상에서 이루어지는 것이다.

일반적으로 회귀 분석을 이용한 추세 분석 방법은 선형, 로그, 다항식, 지수법, 이동평균법 등이 있다. 현재 분석하고자 하는 유량데이터는 구역의 활동인구 변동, 용수사용 원 단위 변동 특성을 나타내는 증가과 감소형태의 곡선으로 선형법, 로그법, 지수법, 및 Sigmodal 등의 추세분석은 적합도를 고려하였을 경우 적용이 불가능하다. 이런 변동특성은 다항식 추세법을 통해 정확도 높은 분석이 가능 할 것으로 판단된다. 수용가 용수사용패턴 대한 최적의 적합도를 보여주는 절대적인 다항식 차수는 존재하지 않으나 유량데이터의 특성상 시간대별로 다양한 변동형태를 나타내므로 차수가 높을수록 적합도가 올라갈 수 있다. 즉 다항식의 차수는 분석데이터의 변동 추세를 나타내는 것으로 데이터의 변동이 빈번할수록 높은 차수를 가지는 추세 선을 산정하면 정확도 높은 결정계수를 얻을 수 있다.

상기와 같은 회귀 분석법을 6차 방정식을 이용하여 예를 들어 설명한다.

<다항식 회귀분석의 예(6차원)>

① 회귀분석(Polynomial regression)

Data를 n차 다항식으로 표현 : (n=6)

최적의 다항식 곡선을 구하기 위해서는 모든 주어진 Data들에 대한 오차의 합을 최소화시킨다.

편미분한다.

정규방정식으로 정리하면......

② 결정계수 산정법

산정된 다항식은 결정계수 R²를 산정하여 추정한 다항식 모형과 분석자료의 적합한 정도의 평가 지표로 사용한다. 결정계수의 범위는 0과 1 사이이며 단순선형회귀의 경우 결정계수는 상관계수의 제곱과 같다. 결정계수의 값이 1에 가까울수록 추정된 다항식 주위에 자료가 밀집되어 있으므로 자료를 잘 대표하고 있다고 할 수 있으며 추정다항식이 분석데이터를 잘 설명한다고 할 수 있다.

상기에서

이고,

로 다항식 추세 선의 각각의 값이다.

상기와 같은 6차 다항식을 이용한 추세 분석 패턴을 형성하면 도 6과 같은 그래프를 형성하는 것이다.

이상에서 설명한 회귀 분석을 통한 야간 최소 유량 및 손실량 산정 순서를 설명하면 도 7과 같다. 먼저 유량 데이터를 10분 간격으로 수집하는 단계이다(S10). 다음에는 유량 변동 최소화 및 추이 분석을 위한 1시간 이동 평균 유량 데이터 파악한다(S11). 상기에서 유량변동을 최소하고 1시간 이동평균 유량 데이터를 파악한다는 것은 10분 마다 수집하는 유량 데이터를 1시간 이동 평균을 산정하고 일정한 시간 단위로 유량 데이터를 나타내는 것이다. 다음에는 상기 시간대별 일일 유량 데이터에서 분석 대상 데이터를 추출하는데 일반적으로 일일 최소 유량이 발생하는 야간 시간대를 선택하는 것이다(S12). 다음에는 활동 인구 증감 및 용수 사용량 증감에 따른 구간을 감소부, 기저부 및 증가부로 구분하는 것이다(S13). 다음에는 감소부와 증가부를 적용하여 다항식의 추세 선을 생성하는 것이다(S14). 다음에는 추세 선의 적합도를 검증하여 최적의 다항식 추세 선을 결정하는 것이다(S15). 상기와 같이 추세 선을 결정한 후에는 계측 데이터의 야간 최소 유량에서 다항식 추세 선의 최저값을 차감하여 구역별 야간 사용량 및 손실량을 산정하여(S16) 분석을 완료하는 것이다(S17).

도 8은 본 발명을 적용하기 위한 일정 구역의 블록 정보를 나타내는 시스템 화면이다. 상기 시스템 화면의 블록 정보에는 블록명, 인구수, 관거 연장, 고도 및 급전수 등을 나타내는 것이다.

또한 도 9는 1분 단위로 수집되는 유량 데이터의 수집 현황을 나타내는 화면이고, 도 10은 본 발명에 적용된 회귀 분석법을 이용한 추세 선을 분석하여 얻어진 손실량과 야간 최소 유량에 대한 화면을 나타내고 있는 것이다. 이상에서 설명한 바와 같이 본 발명은 야간 최소 유량 발생 전후에 유량 데이터 그래프를 기초로 하여 회귀 분석법을 적용하여 추세 선을 산정하여 상기 추세 선의 최저점과 실제 유량 데이터 패턴의 최저점 차이를 야간 최소 사용량으로 추정할 수 있고 상기 추세 선의 최저점을 손실량으로 추정할 수 있는 것이다. 따라서 상기와 같은 추세 선을 이용한 손실량 및 야간 최소 유량 산정 방식은 실시간으로 손실량 및 야간 최소 사용량 등을 파악할 수 있는 장점이 있는 것이다.

Claims (8)

1. 블록별 실시간 야간 최소 사용량을 산정하는 방법에 있어서,
   유량 데이터를 일정 시간 간격으로 수집하는 단계와;
   유량 변동을 최소화하고, 추이 분석을 위한 1시간 이동 평균 유량 데이터를 파악하고 하루의 유량 데이터를 나타내는 단계와;
   상기 하루의 1시간 이동 평균 유량 데이터에서 분석하고자 하는 구간의 분석 대상 데이터를 추출하는 단계와;
   상기 분석 대상 데이터에서 감소부, 기저부 및 증가부로 구분하는 단계와;
   감소부와 증가부를 적용하여 추세 선을 생성하는 단계와;
   및 수집된 유량 계측 데이터의 야간 최소 유량에서 다항식 추세 선의 최저값을 차감하는 단계에 의하여 구역별 야간 최소 사용량을 산정하는 것을 특징으로 하는 블록별 실시간 야간 최소 사용량 산정 방법.
   
2. 제1항에 있어서,
   분석 대상 데이터를 추출하는 단계는,
   일일 최소 유량이 발생하는 야간 시간대를 추출하는 단계인 것을 특징으로 하는 블록별 실시간 야간 최소 사용량 산정 방법.
   
3. 제1항에 있어서,
   블록별 실시간 야간 최소 사용량을 산정하는 방법은,
   감소부와 증가부를 적용하여 다항식의 추세선을 생성한 후 결정계수에 의하여 최적의 다항식 추세 선을 결정하는 단계를 더 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 블록별 실시간 야간 최소 사용량 산정 방법.
   
4. 제1항에 있어서,
   감소부와 증가부를 적용하여 추세 선을 생성하는 단계는,
   회귀 분석의 다항식을 이용하여 추세 선을 생성하는 것을 특징으로 하는
   블록별 실시간 야간 최소 사용량 산정 방법.
   
5. 블록별 실시간 손실량을 산정하는 방법에 있어서,
   유량 데이터를 일정 시간 간격으로 수집하는 단계와;
   유량 변동을 최소화하고, 추이 분석을 위한 1시간 이동 평균 유량 데이터를 파악하고 하루의 유량 데이터를 나타내는 단계와;
   상기 하루의 1시간 이동 평균 유량 데이터에서 분석하고자 하는 구간의 분석 대상 데이터를 추출하는 단계와;
   상기 분석 대상 데이터에서 감소부, 기저부 및 증가부로 구분하는 단계와;
   상기 감소부와 증가부를 적용하여 추세 선을 생성하는 단계와;
   및 상기 추세 선에서 추세 선의 최저값을 손실량으로 산정하는 단계를 특징으로 하는 블록별 실시간 손실량 산정 방법.
   
6. 제5항에 있어서,
   분석 대상 데이터를 추출하는 단계는,
   일일 최소 유량이 발생하는 야간 시간대를 추출하는 단계인 것을 특징으로 하는 블록별 실시간 손실량 산정 방법.
   
7. 제5항에 있어서,
   감소부와 증가부를 적용하여 추세 선을 생성하는 단계는,
   회귀 분석의 다항식을 이용하여 추세 선을 생성하는 것을 특징으로 하는
   블록별 실시간 손실량 산정 방법.
   
8. 제5항에 있어서,
   블록별 실시간 손실량을 산정하는 방법은,
   감소부와 증가부를 적용하여 다항식의 추세선을 생성한 후 결정계수에 의하여 최적의 다항식 추세 선을 결정하는 단계를 더 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 블록별 실시간 손실량 산정 방법.
   
   
   
   
   
   

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