KR101896059B1 - Ｇｉｓ와 통합된 상수관망 시스템 - Google Patents

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KR101896059B1 KR1020180069595A KR20180069595A KR101896059B1 KR 101896059 B1 KR101896059 B1 KR 101896059B1 KR 1020180069595 A KR1020180069595 A KR 1020180069595A KR 20180069595 A KR20180069595 A KR 20180069595A KR 101896059 B1 KR101896059 B1 KR 101896059B1
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Abstract

GIS와 통합된 상수관망 시스템이 개시된다. GIS 맵(geographical information system)을 다운로드하여 실행하는 GIS 맵 실행 모듈; 상기 GIS 맵 실행 모듈에 의해 실행된 GIS 맵에 상수관망 위치관리에 필요한 지형물을 입력하는 지형 관리 모듈; 상기 지형 관리 모듈에서 지형물이 입력된 GIS 맵 상에 시설물을 입력하는 시설 입력 모듈; 상기 시설 입력 모듈에 의해 입력된 시설물 상호 간의 연계성 및 오류를 검증하는 시설 검증 모듈; 상기 시설 검증 모듈에서 검증된 시설물의 사용량에 기반하여 상수관망의 수리 해석을 수행하는 수리 해석 모듈; 상기 수리 해석 모듈에 의해 수행된 수리 해석의 결과를 상기 GIS 맵 상에 표시하는 디스플레이 모듈; 상기 지형물 및 시설물이 입력되고 상기 연계성 및 오류가 검증되고 수리 해석이 수행된 결과가 표시된 GIS 통합 맵을 저장하는 GIS 통합 맵 저장 모듈을 구성한다. 상술한 GIS와 통합된 상수관망 시스템에 의하면, 상수관망의 해석에 필요한 GIS 데이터를 GIS 맵에 직접 입력하여 GIS 통합 맵을 별도로 생성하고 이를 이용하여 상수관망의 수리 해석을 하도록 구성됨으로써, 단순한 GIS 데이터의 변환에 따른 변환 오류로 인한 문제점을 제거하고 수리 해석의 정확도를 높이고 번거로운 수정 작업을 없애는 효과가 있다.

Description

ＧＩＳ와 통합된 상수관망 시스템{WATER PIPE NETWORK SYSTEM INTEGRATED WITH GEOGRAPHICAL INFORMATION SYSTEM}
본 발명은 상수관망 시스템에 관한 것으로서, 구체적으로는 GIS(geographical information system)와 통합된 상수관망 시스템에 관한 것이다.
상수관망의 구조는 광역에 걸쳐 형성되기 때문에 GIS(geographical information system)를 이용하여 상수관망의 구조와 분포를 파악하고 있다.
기존의 상수관망은 GIS와 연계하여 상수의 유체 흐름을 수리 해석하고 있으며, 이를 통해 상수관망의 구조의 문제점이나 설계의 필요성에 대한 데이터를 얻고 있다.
그런데, 기존에는 GIS 데이터를 상수관망의 수리 해석에 활용하기 위하여 GIS 데이터의 변환을 필요로 한다.
그러나, GIS 데이터의 변환 과정에는 상당히 많은 시간이 소요되며, 변환 과정에서 잘못 입력된 GIS 데이터는 다시 수정하여 변환해야 하는 번거로움이 있다.
특히, 기존의 위성사진 GIS 데이터 등은 상수관망의 유체 흐름을 해석하는 데 필요한 속성값을 갖고 있지 않으므로, GIS 맵과 상수관망의 해석은 각각 별개로 존재할 뿐 전혀 유기적인 관계가 형성될 수 없었다.
이에, 기존에 이미 형성되어 있는 GIS 데이터를 상수관망의 수리 해석에 곧바로 활용할 수 있도록 할 필요가 있다.
특히, 기존에는 단지 상수관망의 노드에 따른 유압, 유속 등을 산출하는 단순한 수리 해석을 하였지만, 상수관망의 물리적 성질이라든가 수요량 등에 기반하여 보다 세밀하고 실질적인 수리 해석이 요구되고 있다.
10-1671867 10-0524142
본 발명의 목적은 GIS와 통합된 상수관망 시스템을 제공하는 데 있다.
상술한 본 발명의 목적에 따른 GIS와 통합된 상수관망 시스템은, GIS 맵(geographical information system)을 다운로드하여 실행하는 GIS 맵 실행 모듈; 상기 GIS 맵 실행 모듈에 의해 실행된 GIS 맵에 상수관망 위치관리에 필요한 지형물을 입력하는 지형 관리 모듈; 상기 지형 관리 모듈에서 지형물이 입력된 GIS 맵 상에 시설물을 입력하는 시설 입력 모듈; 상기 시설 입력 모듈에 의해 입력된 시설물 상호 간의 연계성 및 오류를 검증하는 시설 검증 모듈; 상기 시설 검증 모듈에서 검증된 시설물의 사용량에 기반하여 상수관망의 수리 해석을 수행하는 수리 해석 모듈; 상기 수리 해석 모듈에 의해 수행된 수리 해석의 결과를 상기 GIS 맵 상에 표시하는 디스플레이 모듈; 상기 지형물 및 시설물이 입력되고 상기 연계성 및 오류가 검증되고 수리 해석이 수행된 결과가 표시된 GIS 통합 맵을 저장하는 GIS 통합 맵 저장 모듈을 포함하도록 구성될 수 있다.
여기서, 상기 지형 관리 모듈은, 도로, 건물, 식생, 수계 및 주소를 포함하는 지형물을 유형별로 상기 GIS 맵 상에 중첩 입력하여 실행하도록 구성될 수 있다.
그리고 상기 시설 입력 모듈은, 펌프 시설, 송수관, 배수지, 배수관, 밸브, 급수관 및 수용가 중 적어도 하나 이상을 포함하는 시설물을 입력하도록 구성될 수 있다.
그리고 상기 시설 검증 모듈은, 상수 공급이 시작되는 시설물이 입력되었는지 여부, 각 시설물 간의 연결 번호가 중복 입력되었는지 여부를 검증하고, 각 시설물 상호 간의 연결성이 없는 시설물을 추출하여 검증하도록 구성될 수 있다.
그리고 상기 수리 해석 모듈은, 상기 시설물 상호 간의 연결 관계를 리스트형 매트릭스(matrix)로 형성하고, 주 배관 및 가지 배관을 구별하여 계산 우선 순위를 부여하며, 상기 시설물의 연결 지점 및 말단의 압력을 산출하고, 각 배관의 통과 유량 및 유속을 산출하도록 구성될 수 있다.
이때, 상기 수리 해석 모듈(150)은, 하기 수학식에 따라 마찰계수를 산출하여 상기 각 배관의 통과 유량 및 유속의 측정에 반영하도록 구성될 수 있으며, [수학식]
Figure 112018059337572-pat00001
, 여기서,
Figure 112018059337572-pat00002
는 거칠기,
Figure 112018059337572-pat00003
는 배관 내경,
Figure 112018059337572-pat00004
는 레이놀드 넘버,
Figure 112018059337572-pat00005
는 마찰계수이다.
그리고 상기 수리 해석 모듈(150)은, 하기 수학식에 따라 상기 각 배관의 통과 유량을 측정하도록 구성될 수 있으며, [수학식]
Figure 112018059337572-pat00006
, 여기서,
Figure 112018059337572-pat00007
는 유량(SCFD),
Figure 112018059337572-pat00008
는 이송 계수,
Figure 112018059337572-pat00009
는 표준 압력,
Figure 112018059337572-pat00010
는 표준 온도,
Figure 112018059337572-pat00011
는 입구 압력,
Figure 112018059337572-pat00012
는 출구 압력,
Figure 112018059337572-pat00013
는 비중,
Figure 112018059337572-pat00014
는 평균 온도,
Figure 112018059337572-pat00015
는 연장,
Figure 112018059337572-pat00016
는 압축 계수,
Figure 112018059337572-pat00017
는 직경,
Figure 112018059337572-pat00018
는 배관 효율,
Figure 112018059337572-pat00019
는 Darcy 마찰계수,
Figure 112018059337572-pat00020
는 전단 표고,
Figure 112018059337572-pat00021
는 후단 표고이다.
그리고 상기 디스플레이 모듈은, 상기 수리 해석 모듈의 수리 해석 결과에 따라 배관의 압력 범위, 유량 범위 및 유속 범위 중 적어도 어느 하나에 따라 구별하여 표시하고, 상기 시설물의 연결 지점의 압력을 압력 범위별로 구별하여 표시하도록 구성될 수 있다.
상술한 GIS와 통합된 상수관망 시스템에 의하면, 상수관망의 해석에 필요한 시설 데이터를 GIS 맵에 직접 입력하여 GIS 통합 맵을 별도로 생성하고 이를 이용하여 상수관망의 수리 해석을 하도록 구성됨으로써, 단순한 GIS 데이터의 변환에 따른 변환 오류로 인한 문제점을 제거하고 수리 해석의 정확도를 높이고 번거로운 수정 작업을 없애는 효과가 있다.
또한, 상수관망을 구성하는 각 시설물 노드들의 연결 관계에 대하여 깊이 탐색과 너비 탐색을 수행하고, 상수관망의 물리적 재질 등을 고려한 마찰 손실까지 고려하여 수리 해석의 정밀도를 극대화하고 실제와 가까운 수리 해석을 수행할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 GIS와 통합된 상수관망 시스템의 블록 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 깊이 우선 탐색 알고리즘 적용의 예시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 너비 우선 탐색 알고리즘 적용의 예시도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전체 연결 구조 네트워크 및 이를 구성하는 서브 네트워크의 예시도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 뉴튼 방법을 나타내는 예시 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 상수관망 모델의 예시도이다.
도 7 내지 도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 상수관망 분석 결과 화면의 예시도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
제1, 제2, A, B 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 GIS와 통합된 상수관망 시스템의 블록 구성도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 GIS와 통합된 상수관망 시스템(100)은 GIS 맵 실행 모듈(110), 지형 관리 모듈(120), 시설 입력 모듈(130), 시설 검증 모듈(140), 수리 해석 모듈(150), 디스플레이 모듈(160), GIS 통합 맵 저장 모듈(170), GIS 통합 맵 갱신 제어 모듈(180)을 포함하도록 구성될 수 있다.
GIS와 통합된 상수관망 시스템(100)은 상수관망의 해석에 필요한 GIS 데이터를 GIS 맵에 직접 입력하고, 상수관망을 구성하는 시설물과 그 연결 관계를 입력하여 GIS 통합 맵을 별도로 생성하도록 구성된다. 여기서, 상수관망의 해석에 필요한 시설 데이터를 중첩 입력하여 GIS 통합 맵을 생성함으로써, 기존의 GIS 맵의 변환 과정에서 발생하던 변환 오류와 그로 인한 수정 작업의 번거로움이 없어지게 된다.
한편, GIS와 통합된 상수관망 시스템(100)은 GIS 통합 맵을 이용하여 상수관망의 수리 해석을 수행하며, 각 시설물 노드의 연결 관계에 대하여 깊이 탐색과 너비 탐색을 수행하고, 상수관망의 물리적 재질 등을 고려한 마찰 손실까지 고려하여 수리 해석의 정확성을 거의 실제와 가깝게 유지하도록 구성된다.
이하, 세부적인 구성에 대하여 설명한다.
GIS 맵 실행 모듈(110)은 인터넷을 통해 GIS 맵 데이터베이스(10)에 접속하여 GIS 맵을 다운로드하여 실행하도록 구성될 수 있다.
GIS 맵은 이미 상용화되어 포탈 사이트(portal site) 등을 통해 제공되는 위성 사진 맵이라든가 오픈맵(open map)이 될 수 있다.
지형 관리 모듈(120)은 GIS 맵 실행 모듈(110)에 의해 실행된 GIS 맵에 상수관망 위치관리에 필요한 지형물을 입력하도록 구성될 수 있다. 상수관망 위치관리에 필요한 지형물로서는 도로, 건물, 식생, 수계 및 주소 등이 있을 수 있으며, GIS 맵에 해당 지형물을 별도로 특정하고 입력하도록 구성될 수 있다.
지형 관리 모듈(120)은 도로, 건물, 식생, 수계 및 주소를 포함하는 지형물을 유형별로 GIS 맵 상에 중첩 입력하여 실행하도록 구성될 수 있다.
시설 입력 모듈(130)은 지형 관리 모듈(120)에서 지형물이 입력된 GIS 맵 상에 시설물을 입력하도록 구성될 수 있다. 시설물로서는 펌프 시설, 송수관, 배수지, 배수관, 밸브, 급수관 및 수용가 등이 있을 수 있다.
시설 입력 모듈(130)은 펌프 시설, 송수관, 배수지, 배수관, 밸브, 급수관 및 수용가 중 적어도 하나 이상을 포함하는 시설물을 입력하도록 구성될 수 있다.
여기서, 펌프 시설은 취수원에서 배수지까지 상수를 송출하기 위한 펌프 시설이다. 송수관은 취수원(정수장)으로부터 배수지까지의 배관을 의미한다. 그리고 배수지는 수용가에 상수를 공급하기 위해 물을 저장하는 시설이고, 배수관은 배수지에서 수용가 지역 인근까지 연결되는 배관이다. 그리고 밸브는 감압, 역지, 정압, 차단 등의 기능을 수행하는 구성이며, 급수관은 배수관에서 수용가들로 연결되는 배관이다. 수용가는 상수를 사용하는 최종 노드이며, 수용가 번호를 이용하여 사용량이나 기존의 사용량과 같은 데이터가 조회될 수 있다.
시설 검증 모듈(140)은 시설 입력 모듈(130)에 의해 입력된 시설물 상호 간의 연계성 및 오류를 검증하도록 구성될 수 있다.
시설 검증 모듈(140)은 상수 공급이 시작되는 시설물이 입력되었는지 여부, 각 시설물 간의 연결 번호가 중복 입력되었는지 여부를 검증하고, 각 시설물 상호 간의 연결성이 없는 시설물을 추출하여 검증하도록 구성될 수 있다.
상수 공급이 시작되는 시설물은 정수장이나 배수지가 될 수 있다.
각 시설물 간의 연결 번호가 중복 입력되거나 상호 간의 연결성이 없는 시설물은 별도로 추출하여 사용자에 의해 정정 입력되도록 구성될 수 있다.
수리 해석 모듈(150)은 시설 검증 모듈(140)에서 검증된 시설물의 사용량에 기반하여 상수관망의 수리 해석을 수행하도록 구성될 수 있다.
수리 해석 모듈(150)은 시설물 상호 간의 연결 관계를 리스트형 매트릭스(matrix)로 형성하고, 주 배관 및 가지 배관을 구별하여 계산 우선 순위를 부여하며, 시설물의 연결 지점 및 말단의 압력을 산출하고, 각 배관의 통과 유량 및 유속을 산출하도록 구성될 수 있다.
수리 해석은 상수의 유량 흐름에 대한 유체 역학적 해석을 기본으로 하며, 배관의 재질에 따른 마찰 저항이라든가 시설물 노드들 간의 연결 관계에 대한 너비 탐색과 깊이 탐색 등이 추가 반영될 수 있다.
상수관망의 해석에 관하여 도 2 내지 도 X를 참조하여 구체적으로 설명한다.
기본적으로 상수관망 해석은 각 경로를 구성하는 배관의 압력 손실의 차가 균형을 유지하도록 유량을 분배하는 것이다. 각 배관마다 배관의 관경이나 재질에 따른 마찰 등의 물리적 속성이 다르고 그에 따른 배관의 압력도 달라지게 된다. 본 발명에 따른 수리 해석은 이러한 인자들을 반영하여 수리 해석의 정확도를 극대화시킨다. 아울러, 수리 해석에 필요한 도로, 건물, 식생, 수계 등의 지형물을 이용해 GIS 도식 기능에 따른 상수관망의 공급 구조를 직관적으로 이해할 수 있도록 구성될 수 있다. 한편, 고객 정보에 따른 사용량 정보와 같은 수요 정보를 반영하여 분석함으로써, 상수관망의 이해를 높이도록 구성된다.
먼저 상수관망의 연결 구조를 파악해야 하는데, 이를 위해서는 깊이 우선 탐색과 너비 우선 탐색을 수행하도록 구성될 수 있다.
도 2는 깊이 우선 탐색 방식을 나타내고 도 3은 너비 우선 탐색 방식을 나타낸다.
도 2의 깊이 우선 탐색은 다음의 알고리즘을 나타낸다. 깊이 우선 탐색 알고리즘은 다음의 순서로 수행될 수 있다.
1. 시작 노드 v를 방문한다.
2. 시작 노드 v에 인접한 v 노드 중 방문되지 않은 노드 w를 선택하여 깊이 우선 탐색을 다시 시작한다.
3. 인접한 모든 노드가 이미 방문된 노드 u를 만나면, 방문되지 않은 인접된 노드를 가진 마지막 노드로 되돌아가서 다시 깊이 우선 탐색을 시작한다.
4. 더 이상 방문할 노드가 없을 때까지 위 1-3 과정을 반복 수행한다.
도 2에 위 알고리즘을 적용하면 방문 순서는 0, 1, 3, 7, 4, 9, 8, 5, 2, 6이 된다.
너비 우선 탐색은 각 노드 v에 대해 노드 v와 인접한 모든 정점을 방문하는 알고리즘이다. 도 3의 너비 우선 탐색은 다음의 알고리즘을 나타낸다.
1. 시작 노드 v를 결정하여 방문한다.
2. 노드 v에 인접하며 방문이 안된 모든 노드들을 방문한다. 새롭게 방문한 정점들에 인접하며 방문되지 않은 모든 노드들을 다시 방문한다.
3. 더 이상 방문할 노드들이 없을 때까지 위 1-2 과정을 반복 수행한다.
도 3에 위 알고리즘을 적용하면 방문 순서는 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9가 된다.
한편, 상수관망의 전체 연결 구조 네트워크는 여러 개의 서비 네트워크(sub network)로 나누어 구성될 수 있다. 이러한 부 네트워크는 깊이 우선 탐색 알고리즘이나 너비 우선 탐색 알고리즘을 이용하여 찾아낼 수 있는데, 경계 밸브를 제거한 상수관망에서 임의의 한 노드에서 시작해서 깊이 우선 탐색 알고리즘이나 너비 우선 탐색 알고리즘을 적용하여 그 노드와 연결된 모든 노드들을 방문한다. 이렇게 방문된 노드들은 하나의 서브 네트워크를 형성할 수 있다. 이러한 탐색된 서브 네트워크는 하나의 경계 밸브에 의해 분리되는 하나의 연결 요소가 될 수 있다.
도 4는 이러한 상수관망의 전체 연결 구조 네트워크와 이를 구성하는 다수의 서브 네트워크를 도식화하여 나타내고 있다.
도 4를 참조하면, 각 노드는 크게 배수지, 블록밸브, 수용가로 구성된다.
배수지는 상수관망이 시작되는 지점이다. 기본 수두(표고)가 설정되어 있으며 유량은 해석에 의해 구해진다. 여기서, 시작 노드 넘버는 0으로 설정한다.
블록밸브는 상수도망이 일부 지역에 압력을 유지할 수 있도록 되어 있다. 블록밸브의 공급 권역은 인접 블록밸브의 서브 네트워크 2와 공유하거나 단독의 서브 네트워크 3로 구성되어 있을 수 있다. 수두가 설정되면 유량이 해석되며 유량이 설정되어 있으면 수두를 구할 수 있다.
수용가는 가스의 수요점(PU, FK)으로 MIS와 연결 고리가 형성되어 있어 수용가의 사용량이 적용되는 지점이다. 유량은 알고 있으며 수두는 해석에 의해 구해진다.
도 4에서 PK는 Pressure Known, PU는 Pressure Unknown, FK는 Flow Known, FU는 Flow Unknown, SN은 Start node Number, EN은 End node Number를 나타낸다.
수리 해석 모듈(150)은 상수관망의 수리 해석을 위하여 뉴튼 방법(Newton's Method)을 활용할 수 있다.
뉴튼 방법은 비선형 방정식의 근을 결정하는 데 널리 사용되는 방법이며, 근
Figure 112018059337572-pat00022
로부터 멀리 떨어져 있지 않은 점에서
Figure 112018059337572-pat00023
에 대한 접선을 긋고, 이 접선과
Figure 112018059337572-pat00024
축이 교차하는 점을 새로운 근사해의 반복값으로 택하여 반복 계산을 수행하는 방식이다.
도 5는 뉴튼 방법을 설명하는 그래프이며, 뉴튼 방법은 다음의 순서에 따른다.
1. 초기값으로
Figure 112018059337572-pat00025
을 택하면
Figure 112018059337572-pat00026
의 대응점은
Figure 112018059337572-pat00027
가 된다.
2. 점
Figure 112018059337572-pat00028
에서 접선을 그어서
Figure 112018059337572-pat00029
축과 만나는 점
Figure 112018059337572-pat00030
를 구한다.
Figure 112018059337572-pat00031
: 점
Figure 112018059337572-pat00032
에서의 접선의 기울기
그러므로,
Figure 112018059337572-pat00033
:
Figure 112018059337572-pat00034
보다 근
Figure 112018059337572-pat00035
에 더 가까운 근사값이 된다.
3.
Figure 112018059337572-pat00036
를 새로운 초기값으로 위의 과정을 반복하면,
Figure 112018059337572-pat00037
4. 반복 과정을 일반식으로 나타내면,
Figure 112018059337572-pat00038
, 단,
Figure 112018059337572-pat00039
이다.
5. 허용 오차 한계를 만족할 때까지 계속 반복한다.
한편, 수리 해석 모듈(150)은 배관의 마찰 계수와 유량 간의 관계를 반영하여 수리 해석을 수행하도록 구성될 수 있다.
마찰 계수는 다음의 콜브룩-화이트 방정식(Colebrook-White equation), 수학식 1에 따라 구하고 유량은 다음 수학식 2에 따라 구한다.
Figure 112018059337572-pat00040
여기서,
Figure 112018059337572-pat00041
는 거칠기,
Figure 112018059337572-pat00042
는 배관 내경,
Figure 112018059337572-pat00043
는 레이놀드 넘버,
Figure 112018059337572-pat00044
는 마찰계수이다.
Figure 112018059337572-pat00045
여기서,
Figure 112018059337572-pat00046
는 유량(SCFD),
Figure 112018059337572-pat00047
는 이송 계수,
Figure 112018059337572-pat00048
는 표준 압력,
Figure 112018059337572-pat00049
는 표준 온도,
Figure 112018059337572-pat00050
는 입구 압력,
Figure 112018059337572-pat00051
는 출구 압력,
Figure 112018059337572-pat00052
는 비중,
Figure 112018059337572-pat00053
는 평균 온도,
Figure 112018059337572-pat00054
는 연장,
Figure 112018059337572-pat00055
는 압축 계수,
Figure 112018059337572-pat00056
는 직경,
Figure 112018059337572-pat00057
는 배관 효율,
Figure 112018059337572-pat00058
는 Darcy 마찰계수,
Figure 112018059337572-pat00059
는 전단 표고,
Figure 112018059337572-pat00060
는 후단 표고이다.
수리 해석 모듈(150)은 위와 같은 각 시설물의 특성들을 시설물 데이터베이스(151)에서 조회하여 수리 해석을 수행하도록 구성될 수 있다.
도 6은 이러한 상수관망 모델을 예시하고 있다.
도 6의 상수관망은 배수지, 공급관, 배수관, 수용가의 순서로 연결되어 있으며, 사용량은 연결의 역순으로 정압기에 누계된다.
상수관망을 구성하는 각 배관에 대한 정보는, 배관번호, 가스 흐름 방향, 유속, 유량, 전단 노드 수두, 후단 노드 수두, 평균 수두, 루프 배관 여부, 배관이 배수지와 연결되어 해석에 적용되는지 아니면 해석에 제외되는지 여부, 서브 네트워크 번호, 물을 공급받는 배수지 번호, 레이놀드 번호, 마찰 계수, 관경을 모르는 배관의 해석 결과값, 합류 지점에서의 비율, 가스 충진량 등의 정보로 구성될 수 있다.
또한, 블록밸브에 대한 정보는 블록밸브 번호, 상위 서브 네트워크 번호, 하위 서브 네트워크 번호, 블록밸브에 할당된 분석 유랑의 정보를 포함할 수 있다.
밸브에 대한 정보는 밸브에 의한 압력 손실, 루프 밸브 여부, 밸브가 배수지로부터 연결되어 있어 해석에 적용되는지 아니면 제외되는지 여부의 정보를 포함할 수 있다.
디스플레이 모듈(160)은 수리 해석 모듈(150)에 의해 수행된 수리 해석의 결과를 GIS 맵 상에 표시하도록 구성될 수 있다.
디스플레이 모듈(160)은 수리 해석 모듈(150)의 수리 해석 결과에 따라 배관의 수두 범위, 유량 범위 및 유속 범위 중 적어도 어느 하나에 따라 구별하여 표시하고, 시설물의 연결 지점의 수두를 수두 범위별로 구별하여 표시하도록 구성될 수 있다.
디스플레이 모듈(160)은 배관들을 그 수두 범위별, 유속 범위별 색상을 각각 다르게 표시하도록 구성될 수 있다. 또한, 디스플레이 모듈(160)은 시설물들의 연결 지점의 수두를 수두 범위별로 색상을 다르게 표시할 수 있다.
이러한 도식적 표현에 의해 사용자는 상수관망의 유체 흐름의 정량적/정성적 특징을 쉽게 파악할 수 있다.
GIS 통합 맵 저장 모듈(170)은 지형물 및 시설물이 입력되고 연계성 및 오류가 검증되고 수리 해석이 수행된 결과가 표시된 GIS 통합 맵을 저장하도록 구성될 수 있다.
이러한 수리 해석 모듈(150)은 고객 정보 데이터베이스(152)를 조회하여 각 수용가의 사용량, 누적 사용량 등을 참조하고, 위의 시설물 특성들을 이용하여 수리 해석한 특성들과 수용가의 사용량, 누적 사용량 등을 참조하여 최적의 상수관망 모델을 구축하는 것을 지원할 수 있다. 또한, 각 공급 권역의 압력 및 유량의 분포를 파악하여 압력 취약 지점에 대한 적절한 보강 계획을 수립할 수 있다.
도 7 내지 도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 상수관망 분석 결과 화면의 예시도이다.
도 7에서는 상수관망 해석에 의해 공급 권역의 압력 및 유량의 분포를 분석하는 화면이다. 이를 통해 압력 취약 지점을 파악하고 적절한 보강 계획을 수립할 수 있다. 지역 개발이나 신규 택지 조성시 설계 지원이 가능하다.
도 8은 유속 관리 화면을 나타낸다. 상수관망 해석에 의한 배관의 유속을 계산하여 나타낸다.
도 9는 블록밸브별 공급 범위 및 공급 유량을 분석하는 화면이다. 지역별 정압기의 공급 유량을 분석하여 적절한 정압기 설계를 할 수 있다. 물론, 신규 블록밸브의 설치 위치도 선정할 수 있다.
도 10은 루프 배관망 관리를 위한 화면이다. 루프 밸브 차단에 의한 압력와 유량의 변화를 나타낸다. 가상의 루프 배관 시뮬레이션을 통해 적절한 루프망 설계를 가능하게 한다.
도 11은 밸브의 잠금으로 인한 차단 지역 규모 등을 분석하도록 구성될 수 있다.
GIS 통합 맵 갱신 제어 모듈(180)은 GIS 통합 맵을 지속적으로 자동 갱신하도록 구성될 수 있다.
GIS 통합 맵 갱신 제어 모듈(180)은 GIS 맵 실행 모듈(110)에서 실제 지형이나 구조물의 변형이 있는지는 지속적으로 모니터링하고, 시설물 데이터베이스(151)에 저장되어 있는 시설물에 대한 정보의 변경 여부도 지속적으로 모니터링하도록 구성될 수 있다.
GIS 통합 맵 갱신 제어 모듈(180)은 위 모니터링 결과에 따라 변경된 정보가 있는 경우 GIS 통합 맵 저장 모듈(170)에 저장된 해당 GIS 통합 맵을 다시 자동 갱신하도록 구성될 수 있다. 지형 관리 모듈(120)과 시설 입력 모듈(130)이 그 변경된 지형물과 시설물에 대한 정보를 다시 입력하도록 하고, 시설 검증 모듈(140)의 시설 검증과 수리 해석 모듈(150)의 수리 해석을 거쳐 GIS 통합 맵을 새로 자동 갱신하도록 구성될 수 있다.
이상 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
110: GIS 맵 실행 모듈 120: 지형 관리 모듈
130: 시설 입력 모듈 140: 시설 검증 모듈
150: 수리 해석 모듈 151: 시설물 데이터베이스
152: 고객 정보 데이터베이스 160: 디스플레이 모듈
170: GIS 통합 맵 저장 모듈 180: GIS 통합 맵 갱신 제어 모듈

Claims (8)

  1. GIS 맵(geographical information system)을 다운로드하여 실행하는 GIS 맵 실행 모듈(110);
    상기 GIS 맵 실행 모듈(110)에 의해 실행된 GIS 맵에 상수관망 위치관리에 필요한 지형물을 입력하는 지형 관리 모듈(120);
    상기 지형 관리 모듈(120)에서 지형물이 입력된 GIS 맵 상에 시설물을 입력하는 시설 입력 모듈(130);
    상기 시설 입력 모듈(130)에 의해 입력된 시설물 상호 간의 연계성 및 오류를 검증하는 시설 검증 모듈(140);
    상기 시설 검증 모듈(140)에서 검증된 시설물의 사용량에 기반하여 상수관망의 수리 해석을 수행하는 수리 해석 모듈(150);
    상기 수리 해석 모듈(150)에 의해 수행된 수리 해석의 결과를 상기 GIS 맵 상에 표시하는 디스플레이 모듈(160);
    상기 지형물 및 시설물이 입력되고 상기 연계성 및 오류가 검증되고 수리 해석이 수행된 결과가 표시된 GIS 통합 맵을 저장하는 GIS 통합 맵 저장 모듈(170);
    및 상기 GIS 통합 맵을 지속적으로 자동 갱신하도록 구성된 GIS 통합 맵 갱신 제어 모듈(180)을 포함하고,
    상기 지형 관리 모듈(120)은,
    도로, 건물, 식생, 수계 및 주소를 포함하는 지형물을 유형별로 상기 GIS 맵 상에 중첩 입력하여 실행하도록 구성되며,
    상기 시설 입력 모듈(130)은,
    펌프 시설, 송수관, 배수지, 배수관, 밸브, 급수관 및 수용가 중 적어도 하나 이상을 포함하는 시설물을 입력하도록 구성되고,
    상기 시설 검증 모듈(140)은,
    상수 공급이 시작되는 시설물이 입력되었는지 여부, 각 시설물 간의 연결 번호가 중복 입력되었는지 여부를 검증하고, 각 시설물 상호 간의 연결성이 없는 시설물을 추출하여 검증하도록 구성되며,
    상기 수리 해석 모듈(150)은,
    상기 시설물 상호 간의 연결 관계를 리스트형 매트릭스(matrix)로 형성하고, 주 배관 및 가지 배관을 구별하여 계산 우선 순위를 부여하며, 상기 시설물의 연결 지점 및 말단의 압력을 산출하고, 각 배관의 통과 유량 및 유속을 산출하도록 구성되며,
    상기 수리 해석 모듈(150)은,
    하기 수학식에 따라 마찰계수를 산출하여 상기 각 배관의 통과 유량 및 유속의 측정에 반영하도록 구성되고,
    [수학식]
    Figure 112018073344712-pat00093

    여기서,
    Figure 112018073344712-pat00094
    는 거칠기,
    Figure 112018073344712-pat00095
    는 배관 내경,
    Figure 112018073344712-pat00096
    는 레이놀드 넘버,
    Figure 112018073344712-pat00097
    는 마찰계수이며,
    상기 수리 해석 모듈(150)은,
    하기 수학식에 따라 상기 각 배관의 통과 유량을 측정하고,
    [수학식]
    Figure 112018073344712-pat00098

    여기서,
    Figure 112018073344712-pat00099
    는 유량(SCFD),
    Figure 112018073344712-pat00100
    는 이송 계수,
    Figure 112018073344712-pat00101
    는 표준 압력,
    Figure 112018073344712-pat00102
    는 표준 온도,
    Figure 112018073344712-pat00103
    는 입구 압력,
    Figure 112018073344712-pat00104
    는 출구 압력,
    Figure 112018073344712-pat00105
    는 비중,
    Figure 112018073344712-pat00106
    는 평균 온도,
    Figure 112018073344712-pat00107
    는 연장,
    Figure 112018073344712-pat00108
    는 압축 계수,
    Figure 112018073344712-pat00109
    는 직경,
    Figure 112018073344712-pat00110
    는 배관 효율,
    Figure 112018073344712-pat00111
    는 Darcy 마찰계수,
    Figure 112018073344712-pat00112
    는 전단 표고,
    Figure 112018073344712-pat00113
    는 후단 표고이며,
    상기 디스플레이 모듈(160)은,
    상기 수리 해석 모듈(150)의 수리 해석 결과에 따라 배관의 압력 범위, 유량 범위 및 유속 범위 중 적어도 어느 하나에 따라 구별하여 표시하고, 상기 시설물의 연결 지점의 압력을 압력 범위별로 구별하여 표시하도록 구성되고,
    상기 수리 해석 모듈(150)은 고객 정보 데이터베이스(152)를 조회하여 각 수용가의 사용량, 누적 사용량을 참조하고, 시설물 특성들을 이용하여 수리 해석한 특성들과 수용가의 사용량, 누적 사용량을 참조하여 최적의 상수관망 모델을 구축하는 것을 지원하며,
    상기 GIS 통합 맵 갱신 제어 모듈(180)은 GIS 맵 실행 모듈(110)에서 실제 지형이나 구조물의 변형이 있는지 지속적으로 모니터링하고, 시설물 데이터베이스(151)에 저장되어 있는 시설물에 대한 정보의 변경 여부를 지속적으로 모니터링하며,
    상기 GIS 통합 맵 갱신 제어 모듈(180)은 모니터링 결과에 따라 변경된 정보가 있는 경우 GIS 통합 맵 저장 모듈(170)에 저장된 해당 GIS 통합 맵을 다시 자동 갱신하도록 구성된 것을 특징으로 하는 GIS와 통합된 상수관망 시스템.
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