KR101582216B1 - 상관도 분석 및 추세 분석을 통한 배수지 수압 예측 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 배수지 하단의 특정 위치에서의 수압과 배수지 수위와의 상관도 분석 및 추세 분석을 통하여 수압을 정확하게 예측할 수 있는 수압 예측 방법에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 배수지 수압 예측 방법은, 1) 배수지 수위 변화에 따른 배수지 하단의 특정 지점의 수압을 측정하는 단계; 2) 수압 측정 데이터를 전처리하는 단계; 3) 전처리된 배수지 수위데이터와 수압 계측 데이터의 상관도 분석을 통해 비례 정도 및 상관성 고저 여부를 판단하는 단계; 4) 전단계에서 상관성 판단 결과 상관도가 0.5 이상인 경우 추세선 생성을 통해 수압데이터 생성 관계식을 도출하는 단계; 5) 생성된 추세선을 통하여 수위변화에 따른 수압을 예측하는 단계;를 포함한다.
Description
본 발명은 배수지 수압 예측 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 배수지 하단의 특정 위치에서의 수압과 배수지 수위와의 상관도 분석 및 추세 분석을 통하여 수압을 정확하게 예측할 수 있는 수압 예측 방법에 관한 것이다.
배수지는 가정 또는 공장 등의 용수 수요처와 정수장 사이에 설치되어, 용수를 많이 사용하는 시간대에는 많은 용수를 공급하고, 용수의 사용이 적은 새벽에는 용수의 공급량을 줄이는 등, 급수량을 조절하면서 안정적으로 용수를 공급하는 시설이다.
한편 배수지가 설치되지 않은 정수장에서는 모터 펌프를 이용하여 용수를 공급하기도 하는데, 이 경우 수압이 고르지 않아 용수가 충분히 공급되지 않는 경우도 있고, 수압이 너무 강해서 누수사고가 발생하기도 한다. 하지만 이러한 문제점은 배수지를 설치하면 모두 해결되어 보다 안정적이고 효율적인 급수가 가능해진다.
이러한 배수지(10)는 일반적으로 도 1에 도시된 바와 같이, 정수장(20)과 급수관(30)으로 연결되어 용수를 공급받는다. 즉, 배수지(10)로 유입되는 급수량과 배수지(10)로부터 유출되는 송수량을 비교하여 미리 설정된 기준보다 수위가 낮아지면 급수관(30)의 급수 제어밸브(50)를 열고 펌프(40)를 가동시켜서 정수장(20)으로부터 용수를 공급받고, 미리 설정된 기준보다 수위가 높으면 펌프(40)의 작동을 중지하고 급수제어밸브(50)를 닫는 방식으로 항상 배수지(10)의 수위가 일정하게 유지되게 운영된다.
따라서 상황에 따라 상기 배수지(10)의 수위가 하강하는 경우도 있고, 수위가 상승하는 경우도 있다.
그리고 상기 배수지(10) 하단에는 가정 또는 공장 등의 용수 수요처(80)가 수도 배관(70)으로 연결되는데, 용수 수요처(80)는 도 2에 도시된 바와 같이, 수도 배관(70)을 따라 매우 복잡한 형상으로 연결된다. 따라서 이러한 하나의 배수지(10)에 연결되어 있는 다수의 용수처(80)를 도 2에 도시된 바와 같이, 블럭(B1, B2, B3, B4)으로 나누어 관리하는 시스템이 제시되어 시행되고 있다. 그리고 각 블럭(B1, B2, B3, B4)의 유입단에는 유량계(90) 등의 계측기가 설치되어 용수의 흐름 상태를 실시간으로 계측할 수 있도록 되어 있다.
그런데 이러한 유입단 중에 유량계는 설치되지만, 수압계가 설치되지 않은 지점이 있어서, 정확한 수압을 측정할 수 없는 경우가 있으며, 특히, 배수지로부터 가장 가까운 블럭의 유입단에는 이렇게 수압계가 설치되지 않은 경우가 많다.
이렇게 수압계가 설치되지 않은 경우에는 별도로 수압계를 추가 설치하지 않는 한 수압을 측정할 수 없어서 정확하고 효율적인 용수 관리가 어려운 실정이다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 배수지 하단의 특정 위치에서의 수압과 배수지 수위와의 상관도 분석 및 추세 분석을 통하여 수압을 정확하게 예측할 수 있는 배수지 수압 예측 방법을 제공하는 것이다.
전술한 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 배수지 수압 예측 방법은, 1) 배수지 수위 변화에 따른 배수지 하단의 특정 지점의 수압을 측정하는 단계; 2) 수압 측정 데이터를 전처리하는 단계; 3) 전처리된 배수지 수위데이터와 수압 계측 데이터의 상관도 분석을 통해 비례 정도 및 상관성 고저 여부를 판단하는 단계; 4) 전단계에서 상관성 판단 결과 상관도가 0.5 이상인 경우 추세선 생성을 통해 수압데이터 생성 관계식을 도출하는 단계; 5) 생성된 추세선을 통하여 수위변화에 따른 수압을 예측하는 단계;를 포함한다.
그리고 본 발명에서 상기 1) 단계에서는, 평균 수압이 1.5kg/cm2 이상이 되도록 배수지로부터 표고차가 충분한 지점을 수압을 측정하는 특정 지점으로 선정하는 것이 바람직하다.
또한 본 발명에서 상기 4) 단계에서는, 배수지 수위가 상승하는 구간에 대응되는 수압데이터 생성 관계식과 수위가 하강하는 구간에 대응하는 수압데이터 생성 관계식을 각각 도출하고, 상기 4) 단계 수행 후에 상기 수위 데이터의 상승 구간과 하강 구간을 구분하는 변곡점을 선정하는 단계;가 더 진행되는 것이 바람직하다.
그리고 본 발명에서 상기 5) 단계에서는, 배수지 수위가 상승하는 구간과 하강하는 구간을 나누어, 상승 구간에는 상승 구간 관계식을 적용하고, 하강 구간에는 하강 구간 관계식을 적용하여 수압을 계산하는 것이 바람직하다.
또한 본 발명에서 상기 4) 단계에서는, 추세선 생성시 결정계수(R2)가 높은 형태의 추세 방정식을 도출하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따르면 수압계가 설치되지 않은 지점에서도 정확하게 수압을 예측할 수 있으므로, 추가적으로 맨홀 등에 수압계를 설치하지 않아도 용수 관리를 정확하게 수행할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 일반적인 정수장과 배수지의 상황을 도시하는 블럭도이다.
도 2는 배수지와 수요처의 일예를 도시하는 도면이다.
도 3은 배수지 하단의 수압 측정을 위한 개념도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 배수지 수압 예측 방법의 순서도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 수위 수압 측정 데이터의 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 수위 수압 측정 데이터를 수위 증가 구간과 수위 감소 구간으로 나누어 도시한 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 수위 상승 구간의 다항식 추세선을 도시한 그래프이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 수위 하강 구간의 다항식 추세선을 도시한 그래프이다.
도 9 내지 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 변곡점 구하는 과정을 도시하는 도면들이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 배수지 수압 예측 방법에 의하여 예측한 수압에 대한 그래프이다.
도 2는 배수지와 수요처의 일예를 도시하는 도면이다.
도 3은 배수지 하단의 수압 측정을 위한 개념도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 배수지 수압 예측 방법의 순서도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 수위 수압 측정 데이터의 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 수위 수압 측정 데이터를 수위 증가 구간과 수위 감소 구간으로 나누어 도시한 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 수위 상승 구간의 다항식 추세선을 도시한 그래프이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 수위 하강 구간의 다항식 추세선을 도시한 그래프이다.
도 9 내지 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 변곡점 구하는 과정을 도시하는 도면들이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 배수지 수압 예측 방법에 의하여 예측한 수압에 대한 그래프이다.
이하에서는 본 발명의 구체적인 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
본 실시예에 따른 배수지 수압 예측 방법은 도 4에 도시된 바와 같이, 수압을 예측하고자 하는 특정 지점의 수압을 일시적으로 측정하는 단계(S100)로 시작된다. 이 단계(S100)에서는 도 3에 도시된 바와 같이, 배수지(10) 하단 중 수압을 예측하고자 하는 특정 지점, 예를 들어 맨홀(100) 등에서 임시로 수압을 측정할 수 있는 시스템을 만들고, 배수지(10) 수위 변화에 따른 수압 변화 데이터를 측정한다.
한편 수압을 측정하는 지점은 도 3에 도시된 바와 같이, 평균 수압이 1.5kg/cm2 이상이 되도록 배수지(10)로부터 표고차가 충분한 지점을 수압을 측정하는 특정 지점으로 선정하는 것이 바람직하다. 이는 배수지(10)와의 표고차가 충분하지 않은 지점에서는 수압이 1.5kg/cm2 미만으로 너무 약하여 수압 변화를 명확하게 확인할 수 없기 때문이다.
이렇게 배수지(10) 수위 변화에 따른 수압 변화를 측정하여 얻어진 실제 데이터를 그래프로 나타낸 것이 도 5에 도시된 것과 같다. 이 그래프를 보면 배수지 수위와 배수지 하단의 수압이 밀접한 상관관계가 있음을 직감할 수 있다.
다음으로는 전단계(S100)에서 측정된 수압 측정 데이터를 전처리하는 단계(S200)가 진행된다. 이 단계(S200)에서는 정확한 상관도 및 추세선 생성을 위하여 얻어진 데이터를 10분 데이터 이동평균을 수행하여 전처리하는 것이 바람직하다.
다음으로는 전처리된 배수지 수위데이터와 수압 계측 데이터의 상관도 분석을 통해 비례 정도 및 상관성 고저 여부를 판단하는 단계(S300)가 진행된다. 즉, 배수지 수위데이터와 수압 계측 데이터의 상관도 분석을 통해 비례 정도를 파악하고, 상관성이 0.5 이상으로 높을 경우 추세선 생성을 통해 수압데이터 생성 관계식을 도출하기 위함이다.
그런데 도 5의 그래프에서 알 수 있듯이, 배수지 수위가 상승하는 구간과 수위가 하강하는 구간에는 각각 다른 패턴이 존재하므로, 본 단계에서는 배수지 수위가 상승하는 구간과 수위가 하강하는 구간을 나누어 상관도를 분석하는 것이 바람직하다.
이렇게 수위 상승구간과 수위 하강 구간을 나누어 추이 현상을 그래프화한 것이 도 6에 도시된 그래프이다. 이 그래프에서 윗부분에 도시된 그래프는 수위 증가 구간에 대한 수압 변화 그래프이며, 아래 부분에 도시된 그래프는 수위 감소 구간에 대한 수압 변화 그래프이며, 구간을 분리하여 분석한 결과 각 구간에서 매우 상관도가 높은 그래프를 얻을 수 있다.
이렇게 수위 증가 구간과 수위 감소 구간이 다른 경향을 보이는 것은, 하단부 수용가의 용수 사용에 따른 유속계수의 변동이 주원인이며, 기타 미소손실 및 유체 특성에 의한 결과이다.
다음으로는 전단계(S300)에서 상관성 판단 결과 상관도가 0.5 이상인 경우 추세선 생성을 통해 수압데이터 생성 관계식을 도출하는 단계(S400)가 진행된다. 즉, 전단계(S300)에서 수위 감소 구간과 수위 증가 구간을 나누어 각각 상관계수(Correlation Coefficient)를 산정하여 상관계수가 0.5 이상인 경우 수압데이터 생성 관계식을 도출하는 것이다.
본 단계(S400)에서도 당연히 전 단계(S300)와 마찬가지로, 배수지 수위가 상승하는 구간과 하강하는 구간을 나누어 수압데이터 생성 관계식을 도출하는 것이, 각 구간에 대하여 독립적으로 정확한 생성 관계식을 도출할 수 있으므로 바람직하다.
실제로 이렇게 수위 상승구간과 수위 하강 구간을 나누어 다항식 추세선을 구하고 이를 도시한 그래프는 도 7, 8에 도시된 바와 같다. 이때 본 단계에서는, 다항식 추세선 생성시 결정계수(R2)가 높은 형태의 추세 방정식을 도출하는 것이 바람직하다.
이때 본 실시예에서 수위 상승구간과 수위 하강 구간의 변곡점을 정확하게 찾아내는 것이 매우 중요하며, 변곡점을 찾아내기 위한 단계(S500)가 진행된다. 이 단계(S500)에서는 도 9에 도시된 바와 같이, 실제 수위 변화 그래프에서 수위가 증가하다가 감소하는 부분을 찾아내어 진행된다. 그런데 실제 데이터를 도시한 그래프에서는 그래프에 작은 변화가 많아서 정확한 변곡점을 찾기 어려운 경우가 많다. 따라서 도 10에 도시된 바와 같이, 변곡점을 용이하게 찾기 위하여 데이터를 단순화하는 작업이 진행될 수 있다. 이 경우에는 이동평균 적용 데이터를 사용하는 방법 등으로 데이터를 단순화하고 이를 그래프로 도시하면 도 10에 도시된 바와 같이, 깨끗한 그래프를 얻을 수 있다.
이렇게 단순한 그래프가 얻어지면 도 11에 도시된 바와 같이, 접선의 기울기가 0 인 지점을 찾아서 변곡점으로 확정한다.
다음으로는 얻어진 관계식을 적용하는 단계(S600)가 진행된다. 이 단계(S600)에서는 당연히 수위 상승구간과 하강 구간을 변곡점을 기준으로 나눈 후, 각각 다른 관계식을 적용하여 수압을 계산한다.
마지막으로 전단계(S600)에서 생성된 관계식 및 추세선을 통하여 수위변화에 따른 수압을 실시간으로 계산하고 예측하는 단계(S700)가 진행된다. 즉, 이 단계(S700)에서는 얻어진 추세선 및 관계식을 통하여 실시간으로 그 지점의 수압을 정확하게 예측하여 용수 관리에 이용하는 것이다.
이를 이용하여 가상으로 수압을 예측하여 도시한 것이 도 12와 같은 도면이며, 수위의 변화에 따라 수압 예측 결과가 반영된 그래프를 얻을 수 있다.
10 : 배수지
20 : 정수장
30 : 급수관
40 : 펌프
50 : 급수 제어 밸브
60 : 유량계
70 : 상수도 배관
80 : 수요처
90 : 유량계
100 : 맨홀
20 : 정수장
30 : 급수관
40 : 펌프
50 : 급수 제어 밸브
60 : 유량계
70 : 상수도 배관
80 : 수요처
90 : 유량계
100 : 맨홀
Claims (5)
1) 배수지 수위 변화에 따른 배수지 하단의 특정 지점의 수압을 측정하는 단계;
2) 수압 측정 데이터를 전처리하는 단계;
3) 전처리된 배수지 수위데이터와 수압 계측 데이터의 상관도 분석을 통해 비례 정도 및 상관성 고저 여부를 판단하는 단계;
4) 전단계에서 상관성 판단 결과 상관도가 0.5 이상인 경우 추세선 생성을 통해 수압데이터 생성 관계식을 도출하는 단계;
5) 생성된 추세선을 통하여 수위변화에 따른 수압을 예측하는 단계;를 포함하며,
상기 4) 단계에서는,
배수지 수위가 상승하는 구간에 대응되는 수압데이터 생성 관계식과 수위가 하강하는 구간에 대응하는 수압데이터 생성 관계식을 각각 도출하고,
상기 4) 단계 수행 후에 상기 수위 데이터의 상승 구간과 하강 구간을 구분하는 변곡점을 선정하는 단계;가 더 진행되고,
상기 5) 단계에서는,
배수지 수위가 상승하는 구간과 하강하는 구간을 나누어, 상승 구간에는 상승 구간 관계식을 적용하고, 하강 구간에는 하강 구간 관계식을 적용하여 수압을 계산하는 것을 특징으로 하는 배수지 수위 변화에 따른 배수지 하단의 수압을 예측하는 방법.
2) 수압 측정 데이터를 전처리하는 단계;
3) 전처리된 배수지 수위데이터와 수압 계측 데이터의 상관도 분석을 통해 비례 정도 및 상관성 고저 여부를 판단하는 단계;
4) 전단계에서 상관성 판단 결과 상관도가 0.5 이상인 경우 추세선 생성을 통해 수압데이터 생성 관계식을 도출하는 단계;
5) 생성된 추세선을 통하여 수위변화에 따른 수압을 예측하는 단계;를 포함하며,
상기 4) 단계에서는,
배수지 수위가 상승하는 구간에 대응되는 수압데이터 생성 관계식과 수위가 하강하는 구간에 대응하는 수압데이터 생성 관계식을 각각 도출하고,
상기 4) 단계 수행 후에 상기 수위 데이터의 상승 구간과 하강 구간을 구분하는 변곡점을 선정하는 단계;가 더 진행되고,
상기 5) 단계에서는,
배수지 수위가 상승하는 구간과 하강하는 구간을 나누어, 상승 구간에는 상승 구간 관계식을 적용하고, 하강 구간에는 하강 구간 관계식을 적용하여 수압을 계산하는 것을 특징으로 하는 배수지 수위 변화에 따른 배수지 하단의 수압을 예측하는 방법.
제1항에 있어서, 상기 1) 단계에서는,
평균 수압이 1.5kg/cm2 이상이 되도록 배수지로부터 표고차가 충분한 지점을 수압을 측정하는 특정 지점으로 선정하는 것을 특징으로 하는 배수지 수위 변화에 따른 배수지 하단의 수압을 예측하는 방법.
평균 수압이 1.5kg/cm2 이상이 되도록 배수지로부터 표고차가 충분한 지점을 수압을 측정하는 특정 지점으로 선정하는 것을 특징으로 하는 배수지 수위 변화에 따른 배수지 하단의 수압을 예측하는 방법.
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제1항에 있어서, 상기 4) 단계에서는,
추세선 생성시 결정계수(R2)가 높은 형태의 추세 방정식을 도출하는 것을 특징으로 하는 배수지 수위 변화에 따른 배수지 하단의 수압을 예측하는 방법.
추세선 생성시 결정계수(R2)가 높은 형태의 추세 방정식을 도출하는 것을 특징으로 하는 배수지 수위 변화에 따른 배수지 하단의 수압을 예측하는 방법.
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