KR101105192B1 - 관망해석에 의한 상수도 누수혐의구간 선정방법 및 그 기능을 탑재한 상수도 통합관리운영시스템 - Google Patents

관망해석에 의한 상수도 누수혐의구간 선정방법 및 그 기능을 탑재한 상수도 통합관리운영시스템 Download PDF

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KR101105192B1 KR1020110073958A KR20110073958A KR101105192B1 KR 101105192 B1 KR101105192 B1 KR 101105192B1 KR 1020110073958 A KR1020110073958 A KR 1020110073958A KR 20110073958 A KR20110073958 A KR 20110073958A KR 101105192 B1 KR101105192 B1 KR 101105192B1
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Abstract

본 발명은 관망해석에 의한 상수도 누수혐의구간 선정방법 및 그 기능을 탑재한 상수도 통합관리운영시스템에 관한 것으로, (a) DB서버가 상수관망에서 일정개수의 각 소블록 주입점에 설치된 유량계와 소블록내에 설치된 수압계로부터 각각의 측정 데이터인 유량과 동수압 및 유량계와 수압계 각각의 식별정보를 시계열적으로 수신하는 단계와; (b) 관망해석 서버가 상기 단계(a)의 각 소블록의 주입점에서의 유량계로부터 수신된 유량정보를 비교분석하여 비정상적인 유출패턴을 보이는 소블록을 선정하는 단계와; (c) 관망해석 서버가 상기 단계(b)에서 선정된 소블록을 대상으로 각 수압계에 의해 계측된 동수압 실측값을 기준으로 정상시 관망해석에 의한 동일절점의 각 동수압 계산값을 유량(Q)변동을 이용하여 조정하는 단계, 및 (d) 관망해석 서버는 상기 단계(c)에서 유량(Q)변동폭이 큰 순으로 절점을 정렬하고, 유량(Q)변동폭이 큰 순으로 누수가 의심되는 구간의 절점인 것으로 판단하는 단계로 구성됨으로써, 누수와 밀접한 관계가 있는 별도의 관로 노후도와 관련된 외부 입력자료의 검토나 누수를 감지하는 장치없이 이상징후 구간을 인지하여 누수 또는 이상유출의 문제 지점에 보다 신속하게 접근하여 즉각적인 조치가 가능하며 민원발생에 능동적으로 대처할 수 있는 효과가 있다.

Description

관망해석에 의한 상수도 누수혐의구간 선정방법 및 그 기능을 탑재한 상수도 통합관리운영시스템 {Method for selecting section of water leakage suspicion by water network analysis and water supply integrated management operating system with function thereof}
본 발명은 관망해석에 의한 상수도 누수혐의구간 선정방법 및 그 기능을 탑재한 상수도 통합관리운영시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 누수와 밀접한 관계가 있는 별도의 관로 노후도와 관련된 외부 입력자료의 검토나 누수를 감지하는 장치없이 이상징후 구간을 인지하여 누수 또는 이상유출의 문제 지점에 보다 신속하게 접근하여 즉각적인 조치가 가능하며 민원발생에 능동적으로 대처할 수 있는, 관망해석에 의한 상수도 누수혐의구간 선정방법 및 그 기능을 탑재한 상수도 통합관리운영시스템에 관한 것이다.
우리나라의 상수도 보급율은 2009년 말 기준으로 전국평균 93.5%로써 이미 충분한 시설용량을 갖추고 있으나, 전체 상수 공급량 중 11.4%의 누수율을 보이고 있는데, 이는 연중 약 7억톤의 물이 지중으로 누수되어 낭비되고 있는 것이며 평균공급단가로 환산시 약 4천억원으로 추정된다.
또한, 우리나라는 UN이 지정한 물부족 국가이며 지구촌 전체가 직면하게 될 수자원의 부족현상에서 예외가 될 수 없으므로 상수관망 관리의 중요성은 인간의 생존문제와 직결된다고 할 수 있다.
종래에 상수관망의 적절한 관리를 위한 누수탐사 방법으로는 일정 구간에 대하여 누수량을 직접 측정하는 직접측정법, 음파를 이용하는 음향누수탐지법, 유량측정값을 이용한 야간최소유량법, 유효율에 의한 추정법, 수분탐지 센서를 이용한 방법 등이 사용되고 있다.
그러나, 직접측정법의 경우 상수도관망 일정구간의 사용을 중지하고 누수량을 직접 측정해야 하므로 단수문제가 발생하여 현실적으로 사용하기가 어려운 문제점이 있고, 음향누수탐지법은 누수지점을 일정반경 이내에서 추측할 수 있으나 반경이 150~300m로 탐색지점이 비교적 넓고 주변소음에 민감하여 탐색 조건이 까다로운 문제점이 있다.
또한, 야간최소유량법은 수돗물 사용량이 적은 심야시간에 유량을 측정하고 최소유량값을 이용하여 누수량을 간접 측정하는 방법이나, 계측오차, 야간사용량, 배경누수 등에 대한 오차로 인하여 누수량 및 누수지점을 정확히 파악하기 어렵고, 유효율에 의한 추정법은 일정기간 동안의 배수량과 급수량의 차이로 추정하는 방법으로 전체 배수구역에 대해서는 파악이 가능하나 그 범위가 큰 경우에는 누수지점 파악이 어려운 문제점이 있으며, 수분탐지 센서를 이용하는 경우는 누수가 발생하면 외부로 유출되는 수분을 센서에서 검출하는 방법으로 토양 자체가 수분을 함유하고 있어서 배관 외부에 수분 센서를 설치하는 것이 용이하지 않다.
한편, 누수율을 감소시키기 위해 많은 지방 상수도 사업소에서 상기와 같은 방법으로 매년 별도의 누수탐사 용역을 실시하고 있지만 정확한 상수관망의 진단없이 상기와 같은 방법의 문제점으로 인해 일회성 효과를 면치못해 그 투자대비 실효성은 크지 않고 반복되는 예산낭비를 초래하고 있는 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 비정상시 현장에 설치한 수압계의 동수압 실측값을 기준으로 정상시 동일 절점의 관망해석에 의한 동수압 계산값을 보정하는 과정에서 유량(Q)의 변화를 분석하여 누수로 의심되는 관로의 구간을 우선 순위별로 선정함으로써, 누수와 밀접한 관계가 있는 별도의 관로 노후도와 관련된 외부 입력자료의 검토나 누수를 감지하는 장치없이 이상징후 구간을 인지하여 누수 또는 이상유출의 문제 지점에 보다 신속하게 접근하여 즉각적인 조치가 가능하며 민원발생에 능동적으로 대처할 수 있는, 관망해석에 의한 상수도 누수혐의구간 선정방법 및 그 기능을 탑재한 상수도 통합관리운영시스템을 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 누수량을 줄여 기존 상수도 시설물(정수장,배수지,가압장 등)의 가동률을 향상시켜 시설물의 유지 및 개선에 소요되는 비용과 그 시점을 최적화 할 수 있고, 기존의 급수구역에 대한 반복적이고 일회성 효과의 누수탐사 용역에 낭비되는 국가 예산을 절약하여 보다 나은 서비스 개선사업에 투자하여 수도사업자의 재정 안정성을 도모할 수 있는, 관망해석에 의한 상수도 누수혐의구간 선정방법 및 그 기능을 탑재한 상수도 통합관리운영시스템을 제공하는 데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 (a) DB서버가 상수관망에서 일정개수의 각 소블록 주입점에 설치된 유량계와 소블록내에 설치된 수압계로부터 각각의 측정 데이터인 유량과 동수압 및 유량계와 수압계 각각의 식별정보를 시계열적으로 수신하는 단계와;
(b) 관망해석 서버가 상기 단계(a)의 각 소블록의 주입점에서의 유량계로부터 수신된 유량정보를 비교분석하여 비정상적인 유출패턴을 보이는 소블록을 선정하는 단계와;
(c) 관망해석 서버가 상기 단계(b)에서 선정된 소블록을 대상으로 각 수압계에 의해 계측된 동수압 실측값을 기준으로 정상시 관망해석에 의한 동일절점의 각 동수압 계산값을 유량(Q)변동을 이용하여 조정하는 단계, 및
(d) 관망해석 서버는 상기 단계(c)에서 유량(Q)변동폭이 큰 순으로 절점을 정렬하고, 유량(Q)변동폭이 큰 순으로 누수가 의심되는 구간의 절점인 것으로 판단하는 단계로 구성되는 것을 그 기술적 구성상의 기본 특징으로 한다.
또한, 본 발명에서 상기 단계(a)의 수압계는 모든 소블록의 주입점, 소블록내 최소수압 발생예상지점(고지대), 소블록내 평균 표고값을 갖는 지점, 용수량의 분기가 많은 지점과 소블록내 최대 야간정수압 형성지점(저지대)과 같이 수압감시 대상이 되는 지점에 시간대별 동수압의 원격모니터링(Telemonitoring)이 가능하도록 설치하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에서 상기 단계(b)의 비정상적인 유출패턴은 누수 또는 기타 비정상유출에 의해 계획된 용수량 외의 다른 유출이 있는 경우, 즉, 주입점에서의 유량이 정상시보다 급상승해서 그 급상승된 유량이 유지되는 경우인 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에서 상기 단계(c)의 동수압 계산값 조정 단계는 관망해석 서버가 다음의 Hazen-Williams식,
Figure 112011057623111-pat00001
(여기서, HL은 마찰손실수두(m), L은 관의 길이(m), D는 관경(m), Q는 관로의 유량(㎥/day), CHW는 Hazen-Williams의 조도계수)과 연속방정식,
Figure 112011057623111-pat00002
(여기서, A는 관의 단면적(㎡), V는 평균유속(m/sec), Q는 유량(㎥/sec)) 및 베르누이 방정식
Figure 112011057623111-pat00003
(여기서,
Figure 112011057623111-pat00004
은 속도수두(v는 유속, g는 중력가속도),
Figure 112011057623111-pat00005
은 압력수두(
Figure 112011057623111-pat00006
은 압력,
Figure 112011057623111-pat00007
은 단위중량), z는 위치수두, HL은 마찰손실수두)이 포함된 관망해석 서버 내의 프로그램을 이용해 상기 단계(b)에서 선정된 소블록내의 수압계가 설치된 각 절점에서의 유량(Q)을 변동시키면 유량(Q)의 변동에 따라 그 절점에서 유량(Q)의 영향을 받는 속도수두와 마찰손실수두가 변경되고 결국 동수압 계산값이 변경되어 수압계가 설치된 소블록내의 절점에서의 동수압 실측값에 동일절점의 동수압 계산값을 일치시키는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에서 상기 단계(c)의 동수압 계산값은
(e) 관망해석 서버가 상기 단계(b)에서 선정된 소블록내의 각 절점에서 연속방정식을 만족시킬 수 있도록 각 상수관에 흐르는 유량 Q1를 가정하는 단계와;
(f) 관망해석 서버가 상기 최초가정유량 Q1를 입력자료로 하여 Hazen-Williams식이 포함된 관망해석 서버 내의 프로그램을 이용해 상기 단계(b)에서 선정된 소블록내의 조합이 가능한 모든 각각의 두 절점 간의 여러 경로에 대하여 경로별로 각각의 마찰손실수두(HL1)을 계산하고, 폐합된 각 두 절점 간의 여러 경로에 대하여 ΣHL1를 흐름경로의 방향(시계방향+, 반시계방향-)을 고려하여 계산하는 단계와;
(g) 관망해석 서버가 상기 단계(f)에서 ΣHL1≒0 이 아니라면 각 두 절점 간의 각각의 최초가정유량 Q1를 마찰손실수두의 합(ΣHL1)이 0에 가깝도록 일정한 방향성을 가지고 반복적으로 Q2,...,Qn,Qn +1 으로 조정하여 ΣHL2...ΣHLn,ΣHLn +1 을 계속적으로 산출하는 단계와;
(h) 관망해석 서버는 상기 단계(g)에서 산출된 ΣHLn +1 이 ΣHLn 보다 0에서 멀어지면 계산을 중지하고 0에서 가장 가까운 ΣHLn 산출시 사용한 유량 Qn을 해당 두 절점 사이의 유량 Q로 재설정하는 단계, 및
(i) 관망해석 서버가 Hazen-Williams식이 포함된 관망해석 서버 내의 프로그램과 상기 단계(h)에서 재설정된 유량 Q를 이용하여 임의 절점에서의 마찰손실수두 HL 을 계산하고, 연속방정식이 포함된 관망해석 서버 내의 프로그램과 상기 재설정된 유량 Q를 이용하여 유속을 구해 임의 절점에서의 속도수두를 계산하여 임의 절점에서의 동수압 계산값을 산출하는 단계, 로 산출하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에서 상기 관의 길이(L), 관경(D), 조도계수(CHW)는 기구축된 GIS에서 제공하는 공간자료와 공학자료를 활용하거나 DB서버 내의 기구축된 상수관로 정보를 활용하는 것을 특징으로 한다.
이상에서 살펴본, 본 발명인 관망해석에 의한 상수도 누수혐의구간 선정방법 및 그 기능을 탑재한 상수도 통합관리운영시스템은 누수와 밀접한 관계가 있는 별도의 관로 노후도와 관련된 외부 입력자료의 검토나 누수를 감지하는 장치없이 이상징후 구간을 인지하여 누수 또는 이상유출의 문제 지점에 보다 신속하게 접근하여 즉각적인 조치가 가능하며 민원발생에 능동적으로 대처할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 누수량을 줄여 기존 상수도 시설물(정수장,배수지,가압장 등)의 가동률을 향상시켜 시설물의 유지 및 개선에 소요되는 비용과 그 시점을 최적화할 수 있고, 기존의 급수구역에 대한 반복적이고 일회성 효과의 누수탐사 용역에 낭비되는 국가 예산을 절약하여 보다 나은 서비스 개선사업에 투자하여 수도사업자의 재정 안정성을 도모할 수 있는 효과가 있다.
도 1 은 본 발명에 따른 상수도 통합관리운영시스템의 주요구성도.
도 2 는 본 발명과 관련한 상수관망 블록시스템의 구성도.
도 3 은 본 발명에 따른 상수도 통합관리운영시스템의 메인 화면을 나타낸 도면.
도 4 는 본 발명과 관련한 연속방정식의 설명을 위한 참고도면.
도 5 는 본 발명과 관련한 베르누이 방정식의 설명을 위한 참고도면.
상기와 같이 구성된 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하면서 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1 은 본 발명에 따른 상수도 통합관리운영시스템의 주요구성도이고, 도 2 는 본 발명과 관련한 상수관망 블록시스템의 구성도이며, 도 3 은 본 발명에 따른 상수도 통합관리운영시스템의 메인 화면을 나타낸 도면이고, 도 4 는 본 발명과 관련한 연속방정식의 설명을 위한 참고도면이며, 도 5 는 본 발명과 관련한 베르누이 방정식의 설명을 위한 참고도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 관망해석에 의한 누수혐의 구간 선정이 가능한 상수도 통합관리운영시스템은 블록시스템 혹은 상수도관망 최적관리시스템 상에서 측정지점으로 선정된 주요 상수도관로에 설치되어 유량, 수위, 압력, 수질 등을 일정 주기 또는 시스템 운영자의 요청시에 계측 송신하는 일련의 계측센서(유량계, 수압계, 수질계 등)와 컴퓨터들과 관련 장치들 간의 직렬 데이터 통신을 위한 RS통신을 통하여 계측센서에 의한 계측자료들이 전송되는 원격모니터링(TM)제어반(100-100n)내의 컨트롤러와 상기 원격모니터링(TM)제어반(100-100n)내의 컨트롤러로 전송된 자료들이 DSU 또는 CDMA모뎀 등을 통해 KT전용선 등의 유·무선 통신망을 거쳐 상수도 통합관리운영시스템의 DSU(200)로 실시간 전송되고, 다시 상기 전송된 자료들이 터미널 서버(300)와 스위칭 허브(400)에 의한 자료교환을 수행하며 해당 상수도 관로 지점별로 정량화된 자료로 데이터베이스화되게 하는 상수도 통합관리운영시스템 내부의 DB서버(500)와 상기 스위칭 허브(400)에 의해 공간자료/공학자료를 교환하는 GIS엔진(700)과 계측센서를 통하여 계측·전송된 자료와 GIS에서 제공하는 공간자료/공학자료를 기초로 하여 일정구간 상수도 관로내 자료를 분석·예측 모의하는 관망해석 서버(600) 및 운영서버(800)로 구성된다. 또한, 상수관망의 대/중/소블록별 유수율 및 누수율을 분석하는 유수율 분석서버(900)도 추가로 포함할 수 있다.
여기서, 상기 GIS엔진(700)은 상수도 통합관리운영시스템 내부의 관망해석 서버(600)와 연계하여 독립적으로 구성됨으로써 상수도 통합관리운영시스템의 화면구성이 GIS와 연계하여 구성되도록 하는데, GIS에서 제공하는 지리자료와 공간자료(상수관로의 제원(관경,관종,연장,매설연도), 밸브의 제원(관경,용도), 가압펌프의 제원(유출관경,유입관경,양정,양수량), 감압시설(유출관경,유입관경,감압량), 고가수조(용량,높이), 배수지(용량,높이), 관상부의 지반고 등) 및 공학자료(수용가 사용량, 격점 수요량, 관종 및 관경에 따른 조도계수, 배수지의 유출패턴, 수용가의 사용량 패턴, 펌프의 운영패턴, 감압밸브의 운영패턴, 정수장 수질자료 등)가 선택적으로 화면에 표시되도록 함이 바람직하다.
이와 같은 방법으로 구축된 자료들은 상수도 시설 운영자가 운영서버상의 상수도 통합관리운영시스템 소프트웨어상에서 관망감시, 관망관리, 운영모의, 시설관리, 수용가관리 등의 기능들로 분석하여 상수도 최적관리에 유용한 자료로 이용된다. 또한, 관망해석에 의한 누수혐의 구간 선정이 가능하다는 것은 블록별 관망데이터의 수집기능과 수집된 데이터를 기반으로 상시모니터링을 통한 관망의 비정상적 상황예측 및 수리해석모형을 이용한 운영모의 기능을 이용하여 누수 또는 상수의 비정상유출 구간을 선정이 가능한 기능을 말한다. 여기서, 상수도 통합관리운영시스템의 상기 기능들이 구현된 일실시예가 도 3이다.
한편, 정수장에서 정화과정을 거친 상수(上水)가 가정이나 사무실로 공급되기 전에 다수개의 배수지를 거치게 되는데, 하나의 정수장이 다수개의 배수지를 거쳐 상수를 공급하는 구역을 대블록이라 한다. 여기서, 배수지는 상수를 많이 사용하는 시간대에는 많은 물을 공급하고 상수의 사용이 적은 새벽에는 물의 공급량을 줄이는 등 급수량을 조절하면서 안정적으로 물을 공급하는 시설이다.
또한, 상기 다수개의 배수지 각각이 상수를 공급하는 급수구역을 중블록이라 하고, 상기 중블록 내에서도 상수는 배수지와 연결된 배수본관을 거쳐 배수본관과 연결된 배수지관을 통해 최종적으로 가정이나 사무실로 공급되는데 이러한 배수지관별로의 급수구역을 소블록이라고 한다.
이렇게 근래에는 효율적인 상수관망의 운영을 위해 급수구역의 상수관망을 대블록-중블록-소블록으로 구분하여 블록시스템화하고 있다.
이러한 블록시스템은 원래 일본에서 지진 후 원활한 재해복구를 위해 제안되었으나, 현재는 수량, 수압, 수질관리의 측면에서 그 효과가 입증되어 우리나라에서도 상수관망의 블록화를 적극 추진하고 있는 상황이고, 2001년 현재 우리나라의 블록시스템 구축 실태는 특별시·광역시의 경우 블록시스템이 이미 구축되었거나 현재 진행 중인 경우가 62.5%에 달하고 있으며, 시단위의 경우에는 현재 진행 중인 경우가 33.3%이고 기본계획을 수립 중인 도시가 12.5%로 나타나고 있다.
본 발명에서는 상수도 누수혐의 구간을 선정하기 위해 우선 이러한 블록시스템 기본계획시 또는 이미 블록시스템이 구축된 급수구역을 대상으로 모든 소블록의 주입점(도 2에서 소블록의 시간대별 유입량정보를 얻기위해 유량계가 설치된 지점) 외에 소블록내 최소수압 발생예상지점(고지대), 소블록내 평균 표고값을 갖는 지점, 용수량의 분기가 많은 지점과 소블록내 최대 야간정수압 형성지점(저지대) 등과 같이 수압감시 대상이 되는 지점에 시간대별 동수압의 원격모니터링(Telemonitoring)이 가능하도록 수압계를 설치하고 소블록의 주입점에서의 시간대별 유입량정보를 비교분석하여 비정상적인 유출패턴(누수 또는 기타 비정상유출에 의해 계획된 용수량 외의 다른 유출이 있는 경우, 즉, 주입점에서의 유량이 정상시보다 급상승해서 그 급상승된 유량이 유지되는 경우)을 보이는 소블록을 선정한다.
여기서, 상기 상수도 통합관리운영시스템 상의 DB서버는 상수관망에서 일정개수의 각 소블록 주입점에 설치된 유량계와 소블록내에 설치된 수압계로부터 각각의 측정 데이터(유량,동수압) 및 유량계와 수압계 각각의 식별정보를 시계열적으로 수신하고, 관망해석 서버(600)가 각 소블록의 주입점에서의 유량계로부터 수신된 유량정보를 비교분석하여 비정상적인 유출패턴을 보이는 소블록을 누수혐의가 있는 소블록으로 선정하게 된다.
다음으로, 상기에서 유량의 유출패턴 분석에 의해 선정된 누수혐의가 있는 소블록을 대상으로 정상시(계획된 용수량 외의 다른 유출은 없는 조건) 동수압 계산값과 이상징후(비정상적인 유출패턴)의 발생시 유량과 수압은 직접적인 연관이 있으므로 동일 절점에서의 수압계에 의한 동수압 실측값을 비교하여 관망해석 서버(600)가 압력보정 작업을 수행한다.
여기서, 상기 동수압 계산값은 그 계산이 컴퓨터로 수행하기 위해 프로그램 언어를 통해 직접 알고리즘을 코딩한 프로그램에 의해 이루어지거나, 수리해석모형인 EPANET을 이용하여 구축된 관망모델을 적용하여 산출할 수 있다. 상기 수리해석모형(EPANET)은 미국 Environmental Protection Agency (EPA)에서 압력흐름을 가지는 관망(network)에서의 수리와 수질해석을 위해 계발된 컴퓨터 프로그램으로, 관망은 관(pipe), 절점(junction), 펌프, 밸브, 물을 저류할수 있는 지점(storage tank 또는 reservoir)으로 구성될수 있으며, 절점별, 시간별 수리적 특성인 유량과 압력을 계산, 수리학적 조건에 따른 수질변화를 모의할 수 있는 범용프로그램이다. 이러한 관망 수리해석모형인 EPANET은 실제 상수도 관망의 물 흐름을 모의(Simulation)함으로써 상수도 분야에서 계통내 문제점의 조사 및 개선을 위한 모의, 신규 수도시설의 설계(관경, 펌프, 배수지의 위치결정 등)과 관망내 수질분석 등에 활용되고 있다.
따라서, 별도의 외부 입력자료나 누수탐사를 위한 장치없이 동일 절점에서 비정상상태에서의 동수압 실측값을 기준으로 압력보정작업을 하는 과정에서 매개변수인 유량(Q)의 변동폭이 가장 심한 절점을 알 수 있으며 이 절점 인근이 누수 또는/및 기타 비정상 유출이 이루어지는 구간임을 알 수 있다.
다시 말해, 급수구역의 중블록 배수지 유출부와 각 소블록의 주입점에는 유량계가 설치되어 원격모니터링(Telemonitoring)이 가능해야 하고, 유량계에 의해 중블록 및 소블록 단위로 과거의 유량패턴을 기준으로 최적화된 유량 패턴인 계획된 용수량이 존재하며 비정상적인 유출(누수 또는 기타 비정상유출에 의해 계획된 용수량 외의 다른 유출이 있는 경우, 즉, 주입점에서의 유량이 정상시보다 급상승해서 그 급상승된 유량이 유지되는 경우)의 발생시 현장에 설치된 수압계의 계측값을 시계열 분석하게 되는 것이다.
참고로, 본 발명에서 이용되는 기본적인 이론이나 수학식을 먼저 정리하면 다음과 같다.
첫째, 상수도 관망해석에서 두 개의 절점 사이에서의 마찰손실수두를 구하기 위한 Hazen-Williams식은 다음의 수학식 1과 같다.
Figure 112011057623111-pat00008
여기서, HL은 마찰손실수두(m), L은 관의 길이(m), D는 관경(m), Q는 관로의 유량(㎥/day), CHW는 Hazen-Williams의 조도계수이다.
둘째, 질량보존의 법칙에 의한 연속방정식으로 정상류(steady flow)에서 모든 단면을 지나는 질량유량(flow rate)은 항상 일정하다. 이러한 연속방정식은 다음의 수학식 2 및 도 4와 같다.
Figure 112011057623111-pat00009
여기서, A는 관의 단면적(㎡), V는 평균유속(m/sec), Q는 유량(㎥/sec)이다.
세째, 에너지 보존법칙에 의한 베르누이 방정식으로 에너지의 손실이 없고 어떤 다른 형태로 변환된다면 관로내 유체흐름에서 모든 지점에서의 에너지는 일정하다. 이러한 베르누이 방정식은 다음의 수학식 3 및 도 5와 같다.
Figure 112011057623111-pat00010
여기서,
Figure 112011057623111-pat00011
은 속도수두(v는 유속, g는 중력가속도),
Figure 112011057623111-pat00012
은 압력수두(
Figure 112011057623111-pat00013
은 압력,
Figure 112011057623111-pat00014
은 단위중량), z는 위치수두, HL은 마찰손실수두이다.
더불어, 상기 수학식들에서 관의 길이, 관경, 조도계수 등은 기구축된 GIS에서 제공하는 공간자료와 공학자료를 활용하거나 DB서버 내의 별도의 기구축된 상수관로 정보를 활용하게 된다.
이러한 본 발명인 상수도 누수혐의구간 선정방법을 도면과 상기 수학식들을 참조하여 보다 구체적으로 살펴보면 다음과 같다.
상기 수학식 3과 도 5에 도시된 바와 같이, 상수도내 임의 절점에서의 동수경사선(HGL)으로 나타내는 동수압은 위치수두(z)와 압력수두(
Figure 112011057623111-pat00015
)의 합으로 표현된다. 이 때, 동수압의 변화는 속도수두(
Figure 112011057623111-pat00016
)의 지배를 받으며 속도수두(
Figure 112011057623111-pat00017
)는 당연히 유속(v)에 비례한다.
통상 상수도내에서 두 절점 사이의 관경변화는 없으므로 상기 수학식 2와 도 4에 도시된 바와 같이, 유속(v)의 크기는 유량(Q)과 비례하므로 임의 절점에서의 유량값을 조정하면 조정된 유량값에 의해 속도수두와 마찰손실수두가 변경되어 그 절점의 동수압 계산값을 수압계에 의한 동수압 실측값과 일치하도록 할 수 있다.
따라서, 이상시(누수 또는 기타 비정상적인 유출 발생시) 각 수압계에 의해 계측된 동수압 실측값을 기준으로 정상시 관망해석에 의한 동일절점의 각 동수압 계산값을 유량(Q)변동을 이용하여 조정할 수 있다. 즉, 관망해석 서버(600)가 상기 수학식 1인 Hazen-Williams식과 수학식 2인 연속방정식 및 수학식 3인 베르누이 방정식이 포함된 관망해석 서버(600) 내의 프로그램을 이용해 누수혐의가 있는 소블록내의 수압계가 설치된 각 절점에서의 유량(Q)을 변동시키면 유량(Q)의 변동에 따라 그 절점에서 유량(Q)의 영향을 받는 속도수두(연속방정식 이용)와 마찰손실수두(Hazen-Williams식 이용)가 변경되고 결국 동수압 계산값이 변경되어 수압계가 설치된 각 소블록내의 절점에서의 동수압 실측값(도5에서 HGL2상의 A점)에 동일절점의 동수압 계산값(도5에서 HGL1상의 B점)을 일치시킬 수 있다.
이 때, 유량(Q)의 변동폭이 큰 순으로 관망해석 서버(600)는 절점을 정렬할 수 있으며, 누수혐의가 있는 소블록내에서 가장 큰 순위별로 누수 또는/및 기타 이상징후로 의심되는 구간임을 알 수 있다.
상기에서 살펴본 것처럼, 여기서 상기 동수압 계산값은 수리해석모형인 EPANET을 이용하여 구축된 관망모델을 적용하여 산출할 수도 있지만, 그 계산이 컴퓨터로 수행하기 위해 프로그램 언어를 통해 직접 알고리즘을 코딩한 프로그램에 의해 이루어질 수도 있는데, 상기 알고리즘에 의한 관망해석의 절차는 다음과 같다.
첫째, 본 발명의 시스템 내의 관망해석 서버(600)가 누수혐의가 있는 것으로 선정된 상수관망 소블록내의 각 절점에서 상기 수학식 2인 연속방정식을 만족시킬 수 있도록 각 상수관에 흐르는 유량 Q1를 가정한다. 바람직하게는 각 절점에서의 유량 Q1를 편의상 동일한 값으로 가정할 수 있다.
둘째, 관망해석 서버(600)가 상기 최초가정유량 Q1를 입력자료로 하여 상기 수학식 1인 Hazen-Williams식이 포함된 관망해석 서버(600) 내의 프로그램을 이용해 소블록내의 조합이 가능한 모든 각각의 두 절점 간의 여러 경로에 대하여 경로별로 각각의 마찰손실수두(HL1)을 계산하고, 폐합된 각 두 절점 간의 여러 경로에 대하여 ΣHL1를 흐름경로의 방향(시계방향+, 반시계방향-)을 고려하여 계산한다.
여기서, 폐합된 각 두 절점 간의 마찰손실수두는 경로에 관계없이 같아야 하고 흐름경로의 방향(시계방향+, 반시계방향-)을 고려하면 마찰손실수두의 합은 0이어야 하므로, ΣHL1≒0 이 아니라면 각 두 절점 간의 각각의 최초가정유량 Q1를 마찰손실수두의 합이 0에 가깝도록 일정한 방향성을 가지고 반복적으로 Q2,...,Qn,Qn +1 으로 조정하여 ΣHL2...ΣHLn,ΣHLn +1 을 계속적으로 산출한다.
셋째, 일정한 방향성을 가지고 가정유량을 조정하여 계속적으로 산출된 ΣHLn+1 이 ΣHLn 보다 0에서 멀어지면 관망해석 서버(600)는 계산을 중지하고 0에서 가장 가까운 ΣHLn 산출시 사용한 유량 Qn을 해당 두 절점 사이의 유량 Q로 재설정하면, 상기 수학식 1과 재설정된 유량 Q를 이용하여 임의 절점에서의 마찰손실수두 HL 을 계산하고 상기 수학식 2인 연속방정식과 재설정된 유량 Q를 이용하여 유속을 구해 임의 절점에서의 속도수두를 계산하여 도 5에서 HGL1상의 B점과 같이 임의 절점에서의 동수압 계산값을 산출하게 된다.
즉, 상수관망 소블록내의 흐름을 해석적으로 풀이한다는 것은 실질적으로 불가능하므로 상기와 같은 방법으로 상수관망의 교차점인 절점에서 연속방정식을 만족시키도록 유량을 가정한 다음, 가정된 유량을 점차적으로 보정해 나감으로써 관망내의 유량을 평형화시키는 것이다.
상기에서는 본 발명에 대한 특정의 바람직한 실시예를 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상술한 실시예에만 한정되는 것은 아니고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술적 요지를 벗어남이 없이 다양하게 변경시킬 수 있을 것이다.
100-100n: 현장제어반 200: DSU
300: 터미널 서버 400: 스위칭 허브
500: DB 서버 600: 관망해석 서버
700: GIS엔진 800: 운영 서버
900: 유수율분석 서버

Claims (7)

  1. (a) DB서버가 상수관망에서 일정개수의 각 소블록 주입점에 설치된 유량계와 소블록내에 설치된 수압계로부터 각각의 측정 데이터인 유량과 동수압 및 유량계와 수압계 각각의 식별정보를 시계열적으로 수신하는 단계와;
    (b) 관망해석 서버가 상기 단계(a)의 각 소블록의 주입점에서의 유량계로부터 수신된 유량정보를 비교분석하여 비정상적인 유출패턴을 보이는 소블록을 선정하는 단계와;
    (c) 관망해석 서버가 상기 단계(b)에서 선정된 소블록을 대상으로 각 수압계에 의해 계측된 동수압 실측값을 기준으로 정상시 관망해석에 의한 동일절점의 각 동수압 계산값을 유량(Q)변동을 이용하여 조정하는 단계, 및
    (d) 관망해석 서버는 상기 단계(c)에서 유량(Q)변동폭이 큰 순으로 절점을 정렬하고, 유량(Q)변동폭이 큰 순으로 누수가 의심되는 구간의 절점인 것으로 판단하는 단계로 구성되되,
    상기 단계(c)의 동수압 계산값은
    (e) 관망해석 서버가 상기 단계(b)에서 선정된 소블록내의 각 절점에서 연속방정식,
    Figure 112011089078569-pat00030
    (여기서, A는 관의 단면적(㎡), V는 평균유속(m/sec), Q는 유량(㎥/sec))을 만족시킬 수 있도록 각 상수관에 흐르는 유량 Q1를 가정하는 단계와;
    (f) 관망해석 서버가 상기 최초가정유량 Q1를 입력자료로 하여 Hazen-Williams식,
    Figure 112011089078569-pat00031
    (여기서, HL은 마찰손실수두(m), L은 관의 길이(m), D는 관경(m), Q는 관로의 유량(㎥/day), CHW는 Hazen-Williams의 조도계수)이 포함된 관망해석 서버 내의 프로그램을 이용해 상기 단계(b)에서 선정된 소블록내의 조합이 가능한 모든 각각의 두 절점 간의 여러 경로에 대하여 경로별로 각각의 마찰손실수두(HL1)을 계산하고, 폐합된 각 두 절점 간의 여러 경로에 대하여 ΣHL1를 흐름경로의 방향(시계방향+, 반시계방향-)을 고려하여 계산하는 단계와;
    (g) 관망해석 서버가 상기 단계(f)에서 ΣHL1≒0 이 아니라면 각 두 절점 간의 각각의 최초가정유량 Q1를 마찰손실수두의 합(ΣHL1)이 0에 가깝도록 일정한 방향성을 가지고 반복적으로 Q2,...,Qn,Qn+1 으로 조정하여 ΣHL2...ΣHLn,ΣHLn+1 을 계속적으로 산출하는 단계와;
    (h) 관망해석 서버는 상기 단계(g)에서 산출된 ΣHLn+1 이 ΣHLn 보다 0에서 멀어지면 계산을 중지하고 0에서 가장 가까운 ΣHLn 산출시 사용한 유량 Qn을 해당 두 절점 사이의 유량 Q로 재설정하는 단계, 및
    (i) 관망해석 서버가 Hazen-Williams식이 포함된 관망해석 서버 내의 프로그램과 상기 단계(h)에서 재설정된 유량 Q를 이용하여 임의 절점에서의 마찰손실수두 HL 을 계산하고, 연속방정식이 포함된 관망해석 서버 내의 프로그램과 상기 재설정된 유량 Q를 이용하여 유속을 구해 임의 절점에서의 속도수두를 계산하여 임의 절점에서의 동수압 계산값을 산출하는 단계,
    로 산출하는 것을 특징으로 하는 관망해석에 의한 상수도 누수혐의구간 선정방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 단계(a)의 수압계는 모든 소블록의 주입점, 소블록내 최소수압 발생예상지점(고지대), 소블록내 평균 표고값을 갖는 지점, 용수량의 분기가 많은 지점과 소블록내 최대 야간정수압 형성지점(저지대)과 같이 수압감시 대상이 되는 지점에 시간대별 동수압의 원격모니터링(Telemonitoring)이 가능하도록 설치하는 것을 특징으로 하는 관망해석에 의한 상수도 누수혐의구간 선정방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 단계(b)의 비정상적인 유출패턴은 누수 또는 기타 비정상유출에 의해 계획된 용수량 외의 다른 유출이 있는 경우, 즉, 주입점에서의 유량이 정상시보다 급상승해서 그 급상승된 유량이 유지되는 경우인 것을 특징으로 하는 관망해석에 의한 상수도 누수혐의구간 선정방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 단계(c)의 동수압 계산값 조정 단계는 관망해석 서버가 다음의 Hazen-Williams식,
    Figure 112011057623111-pat00018
    (여기서, HL은 마찰손실수두(m), L은 관의 길이(m), D는 관경(m), Q는 관로의 유량(㎥/day), CHW는 Hazen-Williams의 조도계수)과 연속방정식,
    Figure 112011057623111-pat00019
    (여기서, A는 관의 단면적(㎡), V는 평균유속(m/sec), Q는 유량(㎥/sec)) 및 베르누이 방정식
    Figure 112011057623111-pat00020
    (여기서,
    Figure 112011057623111-pat00021
    은 속도수두(v는 유속, g는 중력가속도),
    Figure 112011057623111-pat00022
    은 압력수두(
    Figure 112011057623111-pat00023
    은 압력,
    Figure 112011057623111-pat00024
    은 단위중량), z는 위치수두, HL은 마찰손실수두)이 포함된 관망해석 서버 내의 프로그램을 이용해 상기 단계(b)에서 선정된 소블록내의 수압계가 설치된 각 절점에서의 유량(Q)을 변동시키면 유량(Q)의 변동에 따라 그 절점에서 유량(Q)의 영향을 받는 속도수두와 마찰손실수두가 변경되고 결국 동수압 계산값이 변경되어 수압계가 설치된 소블록내의 절점에서의 동수압 실측값에 동일절점의 동수압 계산값을 일치시키는 것을 특징으로 하는 관망해석에 의한 상수도 누수혐의구간 선정방법.
  5. 삭제
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 관의 길이(L), 관경(D), 조도계수(CHW)는 기구축된 GIS에서 제공하는 공간자료와 공학자료를 활용하거나 DB서버 내의 기구축된 상수관로 정보를 활용하는 것을 특징으로 하는 관망해석에 의한 상수도 누수혐의구간 선정방법.
  7. 삭제
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