KR101685165B1 - 다중수원 지능적 배분공급 스케줄링 방법 - Google Patents

Abstract

개시된 본 발명의 다중수원 지능적 배분공급 스케줄링 방법은, 복수의 지역마다 설치되어 취수된 다중수원을 워터블랜딩하여 저류하는 단계, 지역별 워터플랫폼에서 블랜딩되어 저류된 원수를 지역별로 설치되는 지역별 정수처리장에서 정수처리하는 단계, 각 지역별 정수처리장에서 처리된 처리수를 지역별 배수지로 공급하는 단계, 지역별 정수처리장 또는 배수지를 타지역의 배수지 또는 정수처리장과 연결하는 연계수로망을 통해 분배공급하는 단계, 다중수원의 취수 수질과, 정수처리장으로 유입되는 원수의 수질, 정수처리장에서 배출되는 처리수의 수질을 측정하는 처리수 수질 모니터링단계, 다중수원의 취수량부터 배수지에서의 공급량까지의 수량을 지역별로 모니터링하는 처리수량 모니터링단계, 워터플랫폼, 정수처리장, 연계수로망, 배수지 각각의 처리용량과 운용에너지 및 송수펌프의 펌핑용량, 에너지소비율 및 야간시간대의 전력요금 차등적용에 대한 정보를 근거로 모델링된 다이내믹스 제어 프로세스에 따라 지역별로 다중수원을 취수하여 처리된 처리수를 연계수로망을 이용하여 배분공급하도록 제어하는 단계를 포함한다.

Description

다중수원 지능적 배분공급 스케줄링 방법 {SCEHEULING METHOD FOR ALLOCATING AND SUPPLYING WATER FROM MULI SOURCES OF WATER SUPPLY}

본 발명은 다중수원 지능적 배분공급 스케줄링 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 다이내믹스를 이용하여 지표수, 지하수, 해수, 우수 등 다중수원을 수처리하여 수원을 안정적, 효율적으로 배분관리할 수 있는 다중수원 지능적 배분공급 스케줄링 시스템에 관한 것이다.

기존의 물 이용은 하천호수의 물을 정화하여 사용자에게 송수하여 사용한 후 생활하수를 처리하여 하천에 방류하는 일방향 형태의 물공급시스템으로 이 시스템의 문제는 물의 운반과 처리에 많은 에너지 및 코스트가 필요하다는 문제점이 있다.

즉, 종래에는 대량의 물을 확보할 수 있는 강이나, 하천, 댐, 저수지 등의 수자원을 이용하기 위한 수처리시설을 현장에 설치하고, 수처리시설로부터 수처리수 사용처로 물을 공급하는 시스템에 대부분이다. 이러한 종래의 수처리 시스템에 의하면, 대규모의 수처리시설로부터 다양한 장소의 사용처로 동시에 처리수를 공급하기 위해서는 펌프시설, 배관시설, 배수지, 송수로 등의 설치비용이 증가함은 물론, 원거리에서 처리수를 공급함에 따라 환경부하가 크게 발생하여 에너지효율이 낮은 문제점이 있다.

또한, 종래의 수처리 및 분배시스템은 상수도망을 이용한 일방향 공급시스템으로서, 사용처에서 필요한 수질과 관계없이 음용수의 기준에 맞춰서 일괄적으로 수처리한 뒤, 필요한 모든 사용처(음용수, 공업용수, 농업용수 등)로 공급하였다. 이와 같이, 사용처에 무관하게 음용수 기준으로 수처리하고, 수자원을 확보하기 위한 시설비용과 처리비용 및 수송 비용이 필요 이상으로 증가하는 문제점이 있었다.

즉, 각 지역 내에 크고 작은 하천수, 빗물, 하수, 지하수, 해수 등의 수자원이 있음에도, 먼 곳에 대용량 댐 등의 시설을 만들고, 원거리로 일방향으로 공급하는 종래의 수처리 및 분배시스템은 비효율적이고 고비용에 에너지낭비가 큰 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 창안된 것으로서, 다중수원을 이용하여 처리수를 공급하되, 정수장, 취수장, 펌프시설, 배수지, 송수로 등의 주요 시설의 유량 및 수위 등의 계측정보를 모니터링하면서 다이내믹스에 의해 시스템을 효율적으로 운영할 수 있는 다중수원 지능적 배분공급 스케줄링 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다중수원 지능적 배분공급 스케줄링 방법, 복수의 지역마다 설치되어 취수된 다중수원을 워터블랜딩하여 저류하는 단계; 상기 지역별 워터플랫폼에서 블랜딩되어 저류된 원수를 지역별로 설치되는 지역별 정수처리장에서 정수처리하는 단계; 상기 각 지역별 정수처리장에서 처리된 처리수를 지역별 배수지로 공급하는 단계; 상기 지역별 정수처리장 또는 배수지를 타지역의 배수지 또는 정수처리장과 연결하는 연계수로망을 통해 분배공급하는 단계; 상기 다중수원의 취수 수질과, 상기 정수처리장으로 유입되는 원수의 수질, 상기 정수처리장에서 배출되는 처리수의 수질을 측정하는 처리수 수질 모니터링단계; 상기 다중수원의 취수량부터 배수지에서의 공급량까지의 수량을 지역별로 모니터링하는 처리수량 모니터링단계; 상기 워터플랫폼, 상기 정수처리장, 상기 연계수로망, 상기 배수지 각각의 처리용량과 운용에너지 및 송수펌프의 펌핑용량 및 에너지소비율에 대한 정보를 근거로 모델링된 다이내믹스 제어 프로세스에 따라 지역별로 다중수원을 취수하여 처리된 처리수를 연계수로망을 이용하여 배분공급하도록 제어하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 제어하는 단계에서는, 배수지의 저수량 변화 이력에 따른 다이내믹스 제어 프로세스에 따라서 상기 배수지의 저수량을 제어하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 제어하는 단계에서는 야간시간대의 전력요금 차등적용을 고려한 다이내믹스 제어 프로세스에 따라 상기 배수지의 운영을 제어하는 것이 좋다.

또한, 상기 제어하는 단계에서는 취수원의 수질 변동에 따른 취수원 운영 다이내믹스 제어 프로세스에 따라 상기 워터플랫폼과 정수처리장의 운영을 제어하는 것이 좋다.

또한, 상기 제어하는 단계에서는 펌핑 및 수처리비용 산정 다이내믹스 제어 프로세스에 따라 최소의 비용이 발생되도록 펌핑 및 수처리공정을 제어하는 것이 좋다.

본 발명의 다중수원 지능적 배분공급 스케줄링 방법에 의하면, 다중수원을 이용하여 지역별로 소규모의 워터플랫폼과 정수처리장을 설치하여 지역별 사용수를 자체 처리하여 제공함은 물론, 연계수로망을 이용하여 복수 지역의 처리수를 서로 분배공급함으로써, 시설비용을 줄이고 물부족을 해소할 수 있다.

특히, 환경부하를 최대한 줄여서 운영할 수 있도록 복수의 지역의 수처리시설을 선택적으로 운영관리함으로써 최적의 비용으로 처리수를 생산하여 공급할 수 있고, 처리수의 사용처별로 원하는 수질의 처리수를 생산하고 공급할 수 있다.

즉, 취수원의 수질, 펌핑 및 수처리비용, 배수지 저수 이력, 야간시간대 전력요금을 고려한 다이내믹스 제어 프로세스에 따라 시스템을 운영함으로써 경제적인 배수지 운영은 물론, 전체적인 시스템의 운영효율을 높이고, 비용을 절감할 수 있게 된다.

도 1은 본 발명의 다중수원 지능적 배분공급 스케줄링 방법을 적용하기 위한 다중수원 분배공급 시스템의 일예를 도시한 계통도이다.
도 2는 도 1의 다중수원 분배공급 시스템을 설명하기 위한 블록구성도이다.
도 3은 배수지의 수위를 조절하는 과정을 설명하기 위한 개략적인 도면이다.
도 4는 다이내믹스 모델링을 위한 연구 대상 시스템의 인과관계도의 예시이다.
도 5는 다이내믹스 모델링 도구의 변수 및 의미를 설명하기 위한 도표이다.
도 6은 다이내믹스를 이용한 컴퓨터 모의 실험과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 저수지로부터의 유출에 대한 인과지도와 스텔라모형을 보인 도면이다.
도 8은 저수지 다이내믹스 모형의 유한차분방정식을 보인 도표이다.
도 9는 다이내믹스 모델 개발을 위한 다중수원 용수공급시스템의 예시를 보인 도면이다.
도 10은 다중수원 수운영 다이내믹스 모형을 보인 도면이다.
도 11a는 배수지 운영룰의 모형에 있어서, 모형 내의 변수와 그 역할을 보인 도표이다.
도 11b는 배수지의 저수량 변화 이력에 따른 배수지 운영룰 시스템다이내믹스 모형을 보인 도면이다.
도 12는 도 11b에 표현되는 모형의 유한차분방정식을 보인 도표이다.
도 13 내지 도 15는 배수지 저수량 변화 이력에 따른 배수지 운영룰 결과를 보인 그래프이다.
도 16은 야간시간대의 전력요금 차등적용을 고려한 경제적인 배수지 운영룰 모형의 변수를 보인 도표이다.
도 17은 야간시간대의 전력요금 차등적용을 고려한 다이내믹스 모형을 위한 유한차분방정식을 보인 도표이다.
도 18은 야간시간대의 전력요금 차등적용을 고려한 다이내믹스 모형을 보인 도면이다.
도 19는 배수지 유입량의 운영룰을 설명하기 위한 도표이다.
도 20 내지 도 23은 야간시간대 전력요금 차등적용을 고려한 경제적인 배수지 운영룰 결과를 보인 그래프이다.
도 24는 수질 변동에 따른 취수원 운영룰 모형의 변수를 보인 도표이다.
도 25는 수질 변동에 따른 취수원 운영룰 모형의 유한차분방정식을 보인 도표이다.
도 26은 수질 변동에 따른 취수원 운영룰 모형을 보인 도면이다.
도 27 내지 도 29는 수질변동에 따른 취수원 운영룰 결과를 보인 그래프이다.
도 30은 펌핑 및 수처리비용 산정 모형의 변수를 보인 도표이다.
도 31은 펌핑 및 수처리비용 산정 모형을 표현하기 위한 유한차분방정식을 보인 도표이다.
도 32는 펌핑 및 수처리비용 산정 모형을 보인 도면이다.
도 33 내지 도 35는 펌핑 및 수처리비용 산정 모형에 의한 운영결과를 보인 그래프이다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 다중수원 지능적 배분공급 스케줄링 방법을 자세히 설명하기로 한다.

먼저, 도 1 및 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 ICT 활용 대수용가 압력제어 및 펌프 최적 운영관리 융합 기술이 적용되는 다중수원 지능적 분배공급 시스템을 나타내 보인 것이다. 즉, 본 발명은 다양한 수원과 정수장, 배수조 등이 있는 시스템에서 수요처별 사용량을 공급하는데 필요한 다중수원의 취수계획, 공급배분계획을 시스템 다이내믹스 제어 프로세스(dynamics control process)를 이용하여 수립하고 운영하는데 특징이 있다.

먼저, 다이내믹스 제어 프로세스를 이용하여 운영하기 위한 다중수원 지능적 분배공급 시스템의 구성의 일 예를 설명하기로 한다.

다중수원 지능적 분배공급 시스템은, 복수의 지역마다 설치되어 취수된 다중수원을 워터블랜딩하여 저류하는 지역별 워터플랫폼(10)과, 지역별 원터플랫폼(10)에서 블랜딩된 원수를 정수처리하도록 지역별로 설치되는 지역별 정수처리장(20)과, 각 지역별 정수처리장(20)에서 처리된 처리수가 공급되어 저장되는 지역별 배수지(30)와, 지역별 배수지(30)의 처리수를 해당 지역의 물 사용처로 공급하는 메인 송수경로(40)와, 지역별 정수처리장(20) 또는 배수지(30)를 타지역의 배수지 또는 정수처리장과 연결하는 연계수로망(50)과, 처리수 수질 모니터링장치(60)와, 다중수원의 취수량부터 배수지에서의 공급량까지의 수량을 모니터링하는 처리수량 모니터링장치(70)와, 각종 시설정보 및 운영정보가 저장되는 데이터서버(80) 및 지역별로 처리된 다중수원을 연계수로망(50)과 메인 송수경로(40)를 이용하여 지능적으로 분배공급하는 통합관리서버(90)를 구비한다.

지역별 워터플랫폼(10)은 지역별 다중 수원, 즉, 지역 내에서 이용가능한 수원인 하천수, 빗물, 하수, 지하수, 해수 등을 취수하고, 취수된 다중수원을 워터블랜딩조(11)에서 블랜딩하고, 블랜딩된 원수를 저류조(12)로 이동시켜 저류시킨다. 저류조(12)에 저류된 원수는 도수펌프를 이용하여 지역별로 구비된 정수처리장(20)으로 송수한다. 이때, 지역별 이용가능한 수원을 취수할 때, 다중수원의 수질을 측정하고, 수질에 따라서 수원별 취수량을 결정하고, 블랜딩조(11)에서의 블랜딩 혼합비율을 적절히 조절하여 적정 수질(탁도 기준) 이상의 원수를 확보하여 정수처리장(20)으로 공급할 수 있다. 지역별 워터플랫폼(10)의 블랜딩조(11)의 유량과, 다중수원의 유입량과, 수질 각각이 측정되어 통합관리서버(90)로 전송된다. 그리고 워터플랫폼(10)에서 배출되는 원수의 송수를 위한 펌프(13)의 용량과 환경부하 정보는 데이터서버(80)에 저장되어 관리된다.

또한, 원터플랫폼(10)은 하나의 정수장을 기준으로 가까운 인접 지역에서는 복수가 구비될 수도 있다.

정수처리장(20)은 지역별 취수되는 다중원수의 종류에 따라 다양한 수처리시설을 구비할 수 있다. 즉, 정수처리장(20)은 내륙의 경우에는 음용수, 공업용수, 농업용수를 구분하여 수처리할 수 있는 수처리시설위주로 구비될 수 있고, 해안 도서지역의 경우에는 해수 담수화설비를 포함하는 정수처리시설을 포함할 수 있다. 이와 같이, 각 지역별 다중원수의 특성을 고려하여 지역별 정수처리장(20)의 처리용량, 처리부하, 처리수의 수질 등이 서로 다르게 설정되고, 이러한 정수처리장(20)의 초기 수처리량과, 수처리 시설 처리용량, 오염부하에 따른 수처리 용량 및 수처리단가 등의 정보가 데이터서버(80)에 저장되어 관리된다.

상기 배수지(30)는 처리수의 사용처(도심지, 공업단지, 농업단지 등)별로 사용처의 근거리에 설치되어, 상기 각 정수처리장(20)에서 수처리된 처리수가 송수관을 통해 공급되어 저장된다. 이러한 배수지(30)는 설치된 지역별로 그 운용용량(배수지 버퍼용량), 저장용량이 등이 서로 다를 수 있다. 배수지(30)별 용량과, 초기용량, 운영효율 등의 설비정보가 데이터서버(80)에 저장된다. 그리고 배수지(30)의 수위, 유입량, 배출량 등이 측정되어 통합관리서버(90)로 전달된다.

상기 배수지(30)는 단일 정수처리장(20) 대비하여 단일형으로 구비되거나, 분산형으로 사용처별로 또는 수질급수별로 구분되어 설치될 수도 있다.

또한, 배수지(30)와 처리수 사용처 간에 물공급을 위해서 메인 송수경로(40)가 구비되며, 이 메인 송수경로(40)는 소블록, 중블록, 대블록 단위로 구분되는 물 사용처별로 분기되어 연결되고, 각각의 블록 내에서는 별도의 지선들이 연결된 구조를 가질 수 있다.

상기 연계수로망(50)은 서로 다른 지역에 설치된 정수장(20)과 배수지(30)를 서로 연결하도록 설치되는 것으로서, 복수가 서로 교차연결될 수 있다. 즉, 복수 지역의 복수의 정수처리장(20) 및 복수의 배수지(30)가 서로 네트워크망 형식으로 연결되도록 구비될 수 있으며, 연계수로망의 관로의 관경, 길이, 재질, 펌프 등의 정보가 데이터서버(80)에 저장된다. 각각의 연계수로망(50)마다 송수펌프와 밸브 등이 설치되며, 연계수로망(50)을 이용한 처리수의 이송방향과 이송량 등은 통합관리서버(90)에 의해 통제되고 제어될 수 있다.

처리수 수질 모니터링장치(60)는 지역별로 취수되는 다중수원 각각의 수질을 측정하는 취수원 수질센서(61)와, 블랜딩조(11)에서 혼합된 뒤 이송되어 저류되는 저류조(12)의 수질을 측정하는 저류조 수질센서(62), 정수처리장(20)으로 유입되는 원수의 수질을 측정하는 처리장 유입수 수질센서(63)와, 정수처리장(2)에서 처리된 처리수의 수질을 측정하는 처리수 수질센서(64)와, 배수지(30)에 저장된 배수지 수질센서(65)를 구비한다. 또한, 배수지(30)에서 사용처로 공급되는 배수망의 수질을 측정하는 배수망 수질센서(66)를 더 구비할 수도 있다. 이와 같이, 처리수 수질 모니터링장치(60)는 지역별로 정수 처리를 위해 취수하는 다중수원의 수질부터 사용처에서 사용되기 직전의 처리수까지 각 단계에서 수질을 측정하여 모니터링하고, 모니터링한 수질측정 정보는 통합관리서버(90)로 제공된다.

상기 처리수량 모니터링장치(70)는 지역별로 수처리를 위해 취수되는 다중수원의 취수량을 측정하는 취수량 유량계(71)와, 블랜딩조(71)의 수위를 측정하는 블랜딩조 수위센서(72), 저류조(12)의 수위를 측정하는 저류조 수위센서(73), 저류조(12)에서 정수처리장(20)으로 유입되는 원수의 유입량을 측정하는 원수 유량계(74)와, 각 정수처리장(20)에서 처리된 뒤 배출되는 처리수 배출량을 측정하는 처리수 배출유량계(75)와, 배수지(30)로 유입되는 처리수의 유입량을 측정하는 처리수 유입유량계(76)와, 배수지(30)의 수위를 측정하는 배수지 수위센서(77)와, 배수지(30)에서 배출되는 처리수의 배출량을 측정하는 배수지 배출유량계(78)를 구비할 수 있다. 이외에도, 처리수량 모니터링장치(70)는 연계수로망(50)을 통해 이송되는 처리수의 량을 측정하도록 연계망에 설치되는 별도의 유량계를 더 구비할 수 있다. 이와 같이, 처리수량 모니터링장치(70)는 각 지역의 다중수원의 취수량부터, 각 배수지(30)에서의 배출량까지 처리수의 이송단계별로 유량 및 수위를 측정하고, 측정한 정보를 통합관리서버(90)로 전달한다.

상기 저장부(80)에는 각 지역별로 설치되는 워터플랫폼(10)의 용량, 운영효율(운영비용 등 포함), 환경부하 등의 정보가 저장된다. 또한, 저장부(80)에는 정수처리장(20)의 처리용량, 수질별 처리능력, 수질별 처리비용 등의 정보가 저장되며, 배수조(30)의 용량과, 각 처리수의 이송단계에서 운용되는 펌프들의 용량과, 처리부하, 에너지효율 등의 정보가 저장된다. 또한, 저장부(80)에는 지역별 처리수 사용처별로 처리수 사용량에 대한 정보가 저장된다. 예를 들어, 계절별, 날씨별, 요일별로 누적된 통계치에 의해 사용처별로 음용수, 농업용수, 공급용수 등의 평균사용량에 대한 정보가 저장될 수 있으며, 또한, 이러한 기존의 평균사용량을 기반으로 하여 산출된 예상사용량 등의 정보가 저장될 수 있다. 또한, 저장부(80)에는 각 지역별로 야간 전기요금 적용시간대, 배수지 운영룰(야간 전기요금 적용시간대의 시작시간에 배수지 수위가 최저가 되도록 하고, 야간 전기요금 적용 시간대의 끝 시간에 배수지 수위가 최대로 되도록 함) 등의 정보가 저장관리된다.

상기 통합관리서버(90)는 저장부(80)에 저장된 정보들과, 상기 처리수 수질 모니터링장치(60) 및 처리수량 모니터링장치(70)에서 전달받은 정보를 근거로 시스템다이내믹스를 이용한 컴퓨터 모델링을 통해 물 수송에 관련된 환경부하를 최소화하고, 에너지의 효율적인 운영이 가능하도록 하면서도, 사용처별로 물을 안정적으로 공급할 수 있도록 복수 지역에서 다중수원으로 취수되어 처리된 처리수를 분배공급하도록 전체 처리수 처리공정 및 배수공정을 다이내믹스 제어 프로세스에 의해 운영관리한다. 즉, 통합관리서버(90)는 워터플랫폼, 정수처리장, 배수지, 송수로, 연계망, 펌프시설 등의 주요시설의 유량, 수질, 수위 등의 계측정보를 종합적으로 모니터링하고, 각 배수지의 버퍼용량, 배수지와 배수지간의 용수융통 및 송배수 펌프의 최적운영을 통해 각 시설의 운영관리가 가장 효율적으로 운영될 수 있도록 다이내믹스 제어 프로세스에 의해 운영관리한다.

또한, 통합관리서버(90)는 다이내믹스 제어 프로세스에 따라 각 시설의 운전계획을 설정할 수 있고, 수회 내지 수일 분에 걸친 운영계획을 미리 컴퓨터 모델링하여 설정할 수도 있다. 그리고 각 시설마다 운전계획 중 해당 시설에 관한 제어량의 목표치를 송신하여 시설운전 지침으로 적용하도록 통제할 수 있다. 특히, 물의 지능적인 배분공급을 위해서는 각종 시설의 연계를 고려한 운영계획을 모델링하고, 그에 따라 통제 및 제어관리하게 되는데, 이를 위해 각각의 시설, 설비의 효율향상과 시설의 적절한 연계운용에 의하여 전체로서 효율화를 도모할 수 있다.

효율적인 분배공급을 위해서는 시설의 환경부하를 고려해야 하는데, 그 중 고려 대상으로는 도수에 필요한 소비에너지가 있다. 또한, 강우에 의한 하천원수 탁도 상승시에 취수를 억제하는 고탁도시 피크 커트를 고려하여 정수오니의 발생량을 제거할 수 있다.

환경부하를 고려하기 위해서는, 예를 들어 펌프시설에서 정격유량에 대한 대수운전 등 효율이 높은 운전조건이 되도록 하여, 상대적으로 효율이 높은 지역의 시설의 가동률을 높이도록 설정하여 운전한다.

또한, 특정지역에서의 물부족시 타지역에서 수처리한 처리수를 부족한 지역의 배수지로 공급하여 물부족을 해소할 수 있으며, 이는 처리수에 여유가 있는 지역과 부족한 지역을 연계망을 통해 연계함으로써 효율적으로 운영이 가능하여, 물관리 및 물공급운영에 매우 효과적이다.

또한, 앞서 언급한 바와 같이, 특정지역의 기후변화로 인하여 취수된 다중수원의 수질 즉, 탁도가 매우 높은 경우에는 정수장에서의 처리비용이 증가하게 되므로, 이 경우에는 다중수원의 수질이 개선될 때까지 타지역의 처리수량을 증가시켜서 정수처리비용이 증가한 지역으로 분배하여 공급하도록 운영함으로써, 전체적인 운영비용을 줄일 수 있다.

한편, 지역마다 규모가 다른 워터플랫폼을 설치하여 주변에서 쉽게 구할 수 있는 다중수원을 통해 수원을 확보할 수 있게 됨으로써, 종래와 같이 대규모 댐건설이나, 대용량 저류조, 대용량 수처리시설, 원거리 이송망 및 대용량 펌프 등의 시설이 불필요하여 수처리 및 공급관리 비용을 줄일 수 있으며, 다이내믹스 제어 프로세스에 따라 수처리 시설의 고정이나 문제 발생시의 피해를 분산시킬 수 있어 안정적인 물공급이 가능하게 된다.

본 발명의 ICT 활용 대수용가 압력제어 및 펌프 최적 운영관리 융합 기술은 신도시와 기존도시에서 자연형 수자원뿐만 아니라 빗물이용시스템과의 연계, 하수처리수이용을 위한 재이용시스템 추가, 비상시 이용을 위한 시스템간 관망연계 등 수자원을 통합적으로 이용할 수 있다.

신도시는 상하수도 인프라를 새롭게 구축하므로 지역 내의 이용 가능한 수자원을 최대한 이용할 수 있는 수자원 통합이용 시스템으로 구축할 수 있으며, 신도시는 상수와 중수 이용 및 하수처리수를 재이용할 수 있도록 구축할 수 있다.

이와 같이, 다이내믹스 제어 프로세스에 따라 상기와 같이 구축된 시스템을 운용시 음용수는 댐, 하천수, 지하수를 이용하고, 하수처리수는 이용하지 않으며, 신도시 내의 화장실수, 친수용수, 조경용수, 공업용수 등은 비음용수는 하수처리수, 빗물 등 다양한 수자원을 조합하여 이용할 수 있다.

중수 사용처에 대해서는 상수와는 별도의 공급체계를 도입할 수 있으며, 다중수원 이용을 위한 관망체계는 상수와 중수를 동시에 공급하는 이중관망 방식, 사용처 단위로 중수를 별도로 공급하는 중수 단독공급 방식 등 지역내의 수자원 사용처에 따라 맞춤형으로 상수, 중수를 조합하여 공급하는 복합 관망시스템으로 구축할 수 있다.

다중수원을 활용하여 도시내 물공급 시스템을 구축할 경우 음용 및 비음용을 고려하여 수자원을 분배할 수도 있다.

지하수는 간단한 처리만으로 상수도용으로 사용할 수 있기 때문에 지역에 따라 적절하게 개발하면 지표수 의존도 경감 가능하고, 비음용의 경우는 지하수 외에 이용 가능한 다양한 수원을 이용할 수 있다.

음용 및 비음용을 고려하고 시스템 내에 원수와 정수의 저류 기능과 정수처리 기능을 포함시켜 구축 가능하며, 다중수원의 조합은 지역별 특성과 사용용도(공업용수, 농업용수 등)에 맞추어 선택취수 및 사용할 수 있다.

또한, 다이내믹스 제어 프로세스에 따라 상기 시스템을 운영할 때, 통합관리서버에서 전체적인 워터루프 시스템을 제어할 수도 있으나, 각 지역별 시설관리자나 운영자, 또는 시설별 운영관리서버로 운전정보 및 제어정보를 제공하여 지역별 시설관리자나 운영자가 직접 운전하도록 하거나, 시설별 운영관리서버에 의해 각 시설별로 자동으로 운영될 수 있도록 통제할 수 있다. 즉, 통합관리서버에서는 다이내믹스 제어 프로세스에 따라 수요예측에 근거하여 배수지의 버퍼기능을 활용하여 적절한 운용계획을 수립하고, 수립된 운용계획을 각 시설별로 제공하여 지능적인 분배공급이 가능하도록 한다.

또한, 통합관리서버(90)는 도 3에 도시된 바와 같이, 다이내믹스 제어 프로세스에 따라 각 지역의 배수지(30)의 버퍼기능을 활용하여 시설운전에 적합한 유입, 유출량을 선택하여 운영할 수 있다. 예를 들어, 유출량(수요량)의 시간변동을 수위변동으로 하여 흡수하여 펌프효율이 높고 시설부하가 저감되는 조정횟수가 적은 유입량이 되도록 한다. 배수지에서 누적유출량을 계획시점으로부터의 누계로 환산하면, 항상 수위를 상한, 또는 하한으로 운영하는데 필요한 누적유입량을 산출할 수 있다. 상한과 하한이 만들어내는 밴드(운용저류폭)를 통과하는 누적 유입량을 선택하면, 수위가 상하한을 지키는 운용이 되고, 밴드 내의 변곡선(누적유입량)을 생각하면 경사가 유입량, 경사변화가 유입량의 조정에 대응한다.

한편, 다이내믹스 제어 프로세스에 따라 상기 시스템을 운영하기 위해서는, 상기 시스템에 대한 모형을 정립하고 모델링하여 제어 프로세스를 도출하여 시스템 운영에 적용하게 된다. 이를 위해, 상기 다중수원 지능적 분배공급 시스템의 모형의 모델링과정의 일 예를 설명하기로 한다.

먼저, 시스템 다이내믹스를 이용한 컴퓨터 모델은 저장변수, 유량변수, 그리고 변환자라고 하는 세 가지의 기본적인 요소로 이루어지며, 이들 요소간의 관계를 유한차분방정식의 형태로 표현하여 시스템의 시간적 변화를 모의한다.

저장변수는 시스템 내의 시간에 딸 축적되는 양을 나타내며, 유량변수는 저장변수의 양이 단위시간 동안 변하는 정도를 나타내고, 변환자는 유량변수의 변화율을 저장변수의 값을 기준으로 나타내는데 사용된다.

시스템다이내믹스 모델에서 변수간의 상호 관계에 대한 수학적 의미와 알고리즘은 다음과 같다.

L =f(I,a,b,R(iR,oR))라는 함수가 있다고 하면, 이들 함수간의 관계에서 먼저 저장변수와 유량변수의 관계식은 수학식 1과 같이 정의한다.

여기서, L은 수준변수, R은 변화율변수, iR=inflow, oR=outflow, t=시간(t시간), 0=초기시간을 나타낸다.

수학식1을 시간 t에 대하여 미분하면, 수학식2와 같으며, 저장변수와 유량변수의 관계식이 된다.

여기서, iR(t) = a×L(t), oR(t)=b×L(t)

다음의 수학식3은 수학식1과 2를 결합한 방적 식이며, 시스템다이내믹스 시뮬레이션 모델 방정식의 수학적 알고리즘이다.

다음으로, 인과관계도(causal map)는 연구대상 시스템의 특성을 분석하는 방법으로서, 변수 간의 인과관계를 +, - 부호와 화살표를 이용하여 표현된 그림으로서, +,- 부호는 어떤 변수의 변화가 다른 변수의 변화에 양의 효과(+)를 미치느냐 음의 효과(-)로 작용하느냐에 따라 결정된다.

도 4는 인과관계의 예시를 나타낸 도면으로서, 인구수는 출생자수가 늘면 인구수가 늘고, 인구수가 늘면 출생자수도 늘어나는 양의 피드백 루프(자기강화피드백, 일탈강화적 피드백)가 지배하면 인구증가라는 행태가 되고, 또한 인구수가 늘면 사망자수가 늘고, 사망자수가 늘면 인구수가 줄어드는 음의 피드백 루프(목표 지향형 피드백, 안정화 피드백, 자기억제 피드백)가 지배하면 인구감소라는 행태가 됨을 모형화한 것이다.

다음으로, 모델링을 위한 모형을 정립한다.

시스템을 구성하는 요소들은 저장변수(Stock variable), 유량변수(Flow variable), 보조변수(Converter variable), 시간변수(Time variable), 연결(Action Connector)의 5가지로 구분하고, 이러한 변수들의 상호 관계와 순환과정(Feedback loop)을 나타내기 위해 시스템 흐름도(Flow Diagram)를 작성하게 되며 이러한 시스템 흐름도상의 변수 속성에 적분 및 미분방정식, 수리적 또는 논리적인 방정식 형태로 변환하는 과정을 모형의 정립이라 하며, 도 5는 시스템 흐름도를 작성하는데 사용되는 도구의 변수 및 의미를 나타낸다.

모델링을 위한 모형을 정립하고, 시스템다이내믹스를 이용한 컴퓨터 모의실험을 도 6에 도시된 바와 같은 과정을 통해 검증한다.

도 7은 시스템다이내믹스의 간단한 예로서 저수지에서 중력에 의한 유출이 발생하는 시스템에 대한 인과지도와 이를 STELLA를 이용하여 구현한 예를 나타낸 모형이고, 도 8은 저수지 시스템다이내믹스 모형의 유한차분방정식을 나타내 보인 것이다.

상기와 같이 정립된 모형은 일련의 타당성평가방법(모델구조, 모델형태, 정책시사점)을 통해 평가하여 검증과 보정과정을 거쳐서 확정 및 수립된다.

도 9는 시스템다이내믹스 모델 개발을 위한 다중수원 용수공급시스템의 일예를 도시한 것이고, 도 10은 도 9와 같은 가상의 다중수원 용수공급시스템의 수운영을 모의하기 위해 스텔라 소프트웨어를 이용하여 개발된 다중수원 수운영 시스템다이내믹스 모형을 나타낸다. 도 9의 모형은 가상의 용수공급시스템에 대한 모형으로서 다중수원 용수공급시스템의 기본 구성요소 즉, 도수시설, 취수시설, 집수지, 수처리시설, 송수시설 및 배수지와 펌핑시설을 모두 포함하고, 이러한 시설들에 대한 모형을 모듈화시켜 모델링의 적용 대상이 변경되더라도 모듈의 조합을 통하여 모형의 변형과 확장이 용이하다. 또한, 기본적인 용수의 흐름 외에도 시스템의 운영시 발생되는 펌핑 및 수처리 비용의 산정이 가능하며, 다중수원의 수질변동에 따른 수원별 취수량의 결정이 시스템의 미리 결정된 기준 수질에 따라 자동적으로 이루어지도록 모델링 하였으며, 또한 배수지 펌핑룰에 따른 배수지의 수위를 모의할 수 있도록 하고 그에 따른 펌핑비용을 산정할 수 있다. 다만, 개발된 모델링의 범위는 용수공급시스템의 취수원으로부터 배수지까지이며 배수지 이후의 배수관망의 용수흐름 및 압력에 관한 모델링은 미포함되어 있다.

다중수원 수운영 시스템다이내믹스 모형의 개발에 필요한 입력정보 및 자료는 다음과 같다.

- 수원 : 각 수원의 초기 수위 또는 용수 사용 가능량(취수 가능량) 및 초기 수질, 수원별 오염 부하량

- 정수장 : 정수장의 초기 수처리량, 수처리 시설 처리용량, 오염부하에 따른 수처리 단가

- 배수지 : 초기 배수지 수위 또는 저류량, 펌프용량 및 규격(펌프커브 등), 배수지 유출량(시간 단위 유출량), 야간 전기 요금 적용 시간대, 배수지 운영룰(야간 전기요금 적용 시간대의 시작시간에 배수지 수위가 최저가 되도록 함; 야간 전기요금 적용 시간대의 끝시간에 배수지 수위가 최대)

- 각 시설 간의 연결관로 : 관경, 길이, 재질 등

도 10의 시스템다이내믹스 모형의 구성부분은 크게 배수지 운영룰, 취수원 운영룰 및 펌핑 및 수처리 비용 산정 모형으로 구분되어 있다.

먼저, 배수지 운영룰의 모형에 있어서, 모형 내의 변수와 그 역할은 도 11a에 도시되어 있고, 배수지의 저수량 변화 이력에 따른 배수지 운영룰 시스템다이내믹스 모형은 도 11b와 같다. 그리고 도 12는 도 11b로 표현되는 모형의 유한차분방정식이다. 이러한 배수지의 다이내믹스 모형에 따르면, 배수지의 저수량이 최저가 될 때 배수지로의 펌핑을 시작하고, 저수량이 최고가 될 때 펌핑을 멈추는 배수지 운영룰이 가능하게 된다.

이와 같은 다이내믹스 모형에 따라 배수지의 저수량을 제어하게 될 경우의 결과는 도 13 내지 도 15와 같이 기대할 수 있다. 즉, 도 13은 배수지 저수량 변화(저수량) 이력에 따른 배수지 운영룰 모의결과를 나타낸 것이고, 도 14는 배수지 유입량 변화에 따른 운영룰 모의결과이고, 도 15는 배수지 유출량 변화이력에 따른 모의결과를 각각 나타낸다. 이와 같이, 각각의 경우에 있어서 배수지의 변화패턴이 일정하게 유지되는 시스템다이내믹스를 통해 배수지의 운영을 제어할 수 있다.

또한, 배수지는 전력요금을 차등적용을 고려하여 경제적인 배수지 운영룰에 대한 다이내믹스 모형을 개발할 수 있다. 즉, 도 18은 야간 전력 요금이 적용되는 시간 동안에는 배수지 저수량이 최고에 도달할 때까지 펌핑하고, 그 외의 시간대에서는 배수지 저수량이 최저에 도달할 때 펌핑을 시작하여 최고 저수량이 될 때까지 배수지로 계속 유입시키는 배수지 운영룰을 시뮬레이션하기 위한 시스템다이내믹스 모형을 나타낸 것이다. 도 16은 전력요금 차등적용을 고려한 경제적인 배수지 운영룰 모형의 변수를 나타낸 것이고, 도 17은 도 18과 같이 표현되는 모형의 유한차분방정식을 나타낸다.

이와 같이, 배수지의 운영을 전기요금을 고려하여 변할 수 있으며, 그 운영룰 중 배수지 유입량(inflow_1)은 도 19에 도시된 운영룰에 의해 변할 수 있다.

상기와 같이, 전력요금을 차등적용한 다이내믹스에 따라 배수지를 운영할 경우, 도 20 내지 도 22와 같은 운영룰 결과를 얻을 수 있다. 즉, 도 20은 전력요금을 차등적용한 다이내믹스에 따라 배수지를 운영할 때의 배수지 저수량 변화(water_volum)을 나타낸 그래프이고, 도 21은 배수지 유입량(inflow_1)을 나타낸 그래프이고, 도 22는 배수지 유출량(outflow_1)를 나타낸 그래프이다.

또한, 취수원의 수질변동에 따른 취수원 운영을 다이내믹스 제어 프로세스에 따라 운영할 수 있다. 도 26은 두 개의 취수된 원수가 하나의 집수지(water platform) 및 수처리시설에서 저류 및 처리되는 시스템에서 수원의 수질변동에 따른 취수량을 수처리 및 생산량 기준에 따라 결정할 수 있는 취수원 운영룰 다이내믹스 모형으로서, 모형 내의 변수와 그 역할은 도 24에 도시되어 있으며, 그 유한차분방정식은 도 25에 도시되어 있다.

이와 같이, 취수원의 수질변동에 따른 취수원 운영을 다이내믹스 제어 프로세스에 따라 운영하게 될 경우, 도 27 내지 도 28 도시된 바와 같이, 수원별 취수량의 변화를 확인할 수 있다. 즉, 도 27은 수원으로서 댐 수질변동에 따른 취수원 운영을 다이내믹스 제어 프로세스에 따른 경우, 댐의 취수량(intake_from_Dam)의 변화를 나타낸 그래프이고, 도 28은 하천 취수량(intake_from_River)의 변화를 나타낸 그래프이다.

또한, 펌핑 및 수처리 비용의 산정을 위해 다이내믹스 제어 프로세스를 이용할 수 있다. 도 32는 펌핑 및 수처리 비용 산정을 위한 다이내믹스 모형을 나타내며, 도 31은 펌핑 및 수처리비용 산정을 위한 다이내믹스 모형의 변수를 나타내고, 도 32는 이를 표현하기 위한 유한차분방정식을 나타낸다.

이러한 모형은 배수지로의 펌핑에 따른 비용과 두 개의 수원에서 취수된 원수가 하나의 집수지(water platform) 및 수처리시설에서 저류 및 처리되는 시스템에서 수처리비용을 산정하기 위한 것으로, 최소의 비용으로 시스템을 운영할 수 있게 된다.

도 33은 펌핑 및 수처리 비용 산정 다이내믹스 제어 프로세스에 따라 운영하였을 경우의 결과(펌핑 비용)를 예시한 그래프이고, 도 34는 누적 펌핑비용을 나타낸 그래프이고, 도 35는 수처리 비용을 나타내 보인 그래프이다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 경우 다이내믹스 모형을 모델링하고, 이를 검증 및 보정하여 확정하여 시스템을 운영할 수 있는 다이내믹스 제어 프로세스를 확정할 수 있다. 그리고 확정된 다이내믹스 제어 프로세스에 따라서 다중수원 분재공급 시스템을 운영할 수 있다. 이에 따르면, 여러 지역 각각에서 확보할 수 있는 다중수원을 취수하여 원수를 수질 및 비용을 고려하여 확보할 수 있으며, 이렇게 각 지역별로 확보된 원수들을 수처리하고, 수처리된 처리수를 해당지역의 사용처로 공급하거나, 타지역과 연계하여 상호 공급하거나 공급함으로써, 물부족을 방지하고 물을 최소의 비용 및 환경부하를 최소화하여 효율적으로 운영공급할 수 있다. 즉, 종래와 같이, 원거리에 대규모 취수설비나 저류설비 및 정수설비 등을 갖출 필요가 없고, 각 지역별로 작은 용량의 시설들을 설치하면 되므로, 시설비용이 적게 들고, 원거리에서의 송출을 위한 대용량 펌프 등을 사용할 필요 없이, 환경부하가 적은 펌프 등을 이용하면 되므로, 설치비용은 물론 운용비용도 줄일 수 있다.

또한, 시설별 환경부하 및 운영에너지를 비교하여 최소의 환경부하 및 운영에너지를 적용하여 최적의 수처리 및 배분공급이 이루어지도록 하여 비용을 줄이고, 물을 효과적으로 공급할 수 있다.

10..워터 플랫폼 20..정수처리장
30..배수지 40..메인 송수경로
50..연계수로망 60..처리수 수질 모니터링장치
70..처리수 수량 모니터링장치 80..데이터서버
90..통합관리서버

Claims (2)

1. 통합관리서버가 복수의 지역마다 설치되는 지역별 워터플랫폼을 제어하여 상기 복수의 지역에서 취수된 다중수원을 워터블랜딩하여 저류하는 단계;
   지역별로 설치되는 지역별 정수처리장을 통합관리서버에서 제어하여 상기 지역별 워터플랫폼에서 블랜딩되어 저류된 원수를 정수처리하는 단계;
   상기 통합관리서버는 상기 각 지역별 정수처리장에서 처리된 처리수를 지역별 배수지로 공급되도록 제어하는 단계;
   상기 지역별 정수처리장 또는 배수지를 타지역의 배수지 또는 정수처리장과 연결하는 연계수로망을 상기 통합관리서버가 제어하여 상기 지역별 정수처리장 또는 배수지의 처리수를 분배공급하는 단계;
   상기 통합관리서버에서 처리수 수질 모니터링장치를 이용하여 상기 다중수원의 취수 수질과, 상기 정수처리장으로 유입되는 원수의 수질, 상기 정수처리장에서 배출되는 처리수의 수질 각각을 측정하는 처리수 수질 모니터링단계;
   상기 통합관리서버에서 처리수량 모니터링장치를 이용하여 상기 다중수원의 취수량부터 배수지에서의 공급량까지의 수량을 지역별로 모니터링하는 처리수량 모니터링단계;
   상기 통합관리서버는 상기 워터플랫폼, 상기 정수처리장, 상기 연계수로망, 상기 배수지 각각의 처리용량과 운용에너지 및 송수펌프의 펌핑용량 및 에너지소비율에 대한 정보를 근거로 모델링된 다이내믹스 제어 프로세스에 따라 지역별로 다중수원을 취수하여 처리된 처리수를 연계수로망을 이용하여 배분공급하도록 제어하는 단계;를 포함하며,
   상기 제어하는 단계에서는, 상기 통합관리서버가 배수지의 저수량 변화 이력에 따른 다이내믹스 제어 프로세스에 따라서 상기 배수지의 저수량을 제어하고, 야간시간대의 전력요금 차등적용을 고려한 다이내믹스 제어 프로세스에 따라 상기 배수지의 운영을 제어하며, 취수원의 수질 변동에 따른 취수원 운영 다이내믹스 제어 프로세스에 따라 상기 워터플랫폼과 정수처리장의 운영을 제어하고, 펌핑 및 수처리비용 산정 다이내믹스 제어 프로세스에 따라 최소의 비용이 발생되도록 펌핑 및 수처리공정을 제어하며,
   상기 처리수 수질 모니터링장치는,
   지역별로 취수되는 다중수원 각각의 수질을 측정하는 취수원 수질센서, 블랜딩조에서 혼합된 뒤 이송되어 저류되는 저류조의 수질을 측정하는 저류조 수질센서, 정수처리장으로 유입되는 원수의 수질을 측정하는 처리장 유입수 수질센서, 정수처리장에서 처리된 처리수의 수질을 측정하는 처리수 수질센서, 배수지에 저장된 배수지 수질센서, 상기 배수지에서 사용처로 공급되는 배수망의 수질을 측정하는 배수망 수질센서를 포함하고,
   상기 처리수량 모니터링장치는,
   지역별로 수처리를 위해 취수되는 다중원수의 취수량을 측정하는 취수량 유량계, 블랜딩조의 수위를 측정하는 블랜딩조 수위센서, 저류조의 수위를 측정하는 저류조 수위센서, 상기 저류조에서 상기 지역별 정수처리장으로 유입되는 원수의 유입량을 측정하는 원수 유량계, 상기 각 정수처리장에서 처리된 뒤 배출되는 처리수 배출량을 측정하는 처리수 유입유량계, 상기 지역별 배수지로 유입되는 처리수의 유입량을 측정하는 처리수 유입유량계, 상기 지역별 배수지의 수위를 측정하는 배수지 수위센서, 상기 지역별 배수지에서 배출되는 처리수의 배수지 배출유량계, 상기 연계수로망을 통해 이송되는 처리수의 양을 측정하도록 상기 연계수로망에 설치되는 유량계를 포함하고,
   상기 연계수로망은 복수 지역의 정수처리장 및 복수의 배수지가 서로 네트워크망 형식으로 연결되도록 구비되며, 상기 연계수로망의 관로의 관경, 길이, 재질, 펌프의 정보가 데이터서버에 저장되며,
   상기 데이터서버에는 지역별로 설치되는 워터플랫폼의 용량, 운영효율(운영비용 포함), 환경부하의 정보가 저장되고,
   상기 데이터서버에는 지역별 정수처리장의 처리용량, 수질별 처리능력, 수질별 처리비용 정보가 저장되고,
   상기 데이터서버에는 지역별 배수조의 용량과, 처리수의 이송단계에서 운용되는 펌프들의 용량과, 처리부하, 에너지효율 정보가 저장되고,
   상기 데이터서버에는 지역별 처리수 사용처별로 처리수 사용량에 대한 정보(계절별, 날씨별, 요일별로 누적된 통계치에 의해 사용처별로 음용수, 농업용수, 공급용수의 평균사용량에 대한 정보)가 저장되는 것을 특징으로 하는 다중수원 지능적 배분공급 스케줄링 방법.
   
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