KR20110097040A - 상수도 수요예측 방법 및 시스템 - Google Patents

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KR20110097040A
KR20110097040A KR1020100016658A KR20100016658A KR20110097040A KR 20110097040 A KR20110097040 A KR 20110097040A KR 1020100016658 A KR1020100016658 A KR 1020100016658A KR 20100016658 A KR20100016658 A KR 20100016658A KR 20110097040 A KR20110097040 A KR 20110097040A
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Abstract

본 발명은, 시간대별 물수요량에 대응되는 배수지의 시간대별 급수량 데이터를 수집하여 DB로 저장하는 단계와, 상기 DB에 저장된 데이터를 지수평활법(Exponential Smoothing Method)으로 분석하여, 현재의 시간대별 물수요량을 예측하는 단계, 및 상기 예측된 시간대별 물수요량에 대응되는 최적의 수위가 상기 배수지에서 유지되도록 상기 배수지의 수위를 조절하는 단계를 포함하는 상수도 수요예측 방법 및 시스템을 제공한다.
개시된 상수도 수요예측 방법 및 시스템에 따르면, 과거 데이터를 이용하여 상수도 물수요량을 통계학적으로 예측하고 이에 대응되도록 배수지의 수위를 조절함에 따라, 안정적인 물 공급은 물론 배수지의 용량을 최대한 활용하고 정수장의 피크부하를 감소시켜서 정수 수질을 향상시키고, 송수관의 압력을 균등하게 하여 유수율을 향상시켜서, 상수도 운용 효율을 높일 수 있는 이점이 있다.

Description

상수도 수요예측 방법 및 시스템{Method for estimating waterworks demand and system thereof}
본 발명은 상수도 수요예측 방법 및 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 상수도 물수요량을 예측하고 이에 대응되도록 배수지의 수위를 조절하여 상수도 운용 효율을 향상시킬 수 있는 상수도 수요예측 방법 및 시스템에 관한 것이다.
배수지는 해당 배수구역의 수요량에 따라 수돗물을 급수하기 위한 저류지로서, 물을 많이 이용하는 시간대에는 많은 물을 공급하고 물 사용이 적은 시간에는 물의 공급량을 줄이는 등 급수량을 조절하면서 안정적으로 물을 공급하는 기능을 한다.
환경부 제정 상수도 시설기준에 의하면, 배수지의 저수량은 1일 최대 급수량의 12시간 저장을 표준으로 시설하고 기본 시설계획 시 15~20년을 기준으로 시설하며, 비상시의 대응에 가능하도록, 물 사용형태, 지역의 특성, 시설의 규모, 수도시설의 전반적인 배치상황 등을 종합적으로 검토하여 실정에 알맞게 배수지 목표용량을 설정하여야 한다.
현재 타 광역시(서울특별시, 광명시, 인천광역시, 부산광역시 등)의 배수지의 운영방식은, 배수지 수위를 근무자가 인위적으로 수동 조절하여, 수요가 적은 야간시간대에 배수지 수위를 만수위로 유지한 후, 수요량 증가가 발생하는 시간대에는 저류량이 최소가 될 때까지 배수지 수위를 시간대별로 변동하도록 운영하고 있다.
기존에는 배수지 만수위(80%이상)와 저수위와의 구간수위를 조작 운영(ON/OFF)하고 있어, 시간대별 수요량 변화에 대한 대응이 미흡한 상황이다. 또한, 최근 생활수준의 변화, 인구의 증가, 도시화의 확대 등에 따라 급수량은 증가하였으나, 이에 적합하게 배수지 용량은 쉽게 증설되지 못하여, 배수지로서의 완충기능은 극히 저하되고 있는 실정이다.
더욱이, 변화가 심한 급수 사용량과 연계적인 송수관 압력 변화로 인한 송수관 사고가 빈번히 발생되고 있으며, 정수장에서는 송수물량의 심한 변화로 급수수질의 안정화가 이루어지지 못하고 있는 실정이다. 정수지의 물은 송수관을 따라 배수지로 유입되는데, 현재 정수지의 송수관 압력은, 수요자의 급수 요구량에 따른 시간대별 유량 변화로 인하여 압력변화가 발생하고 있다.
이와 같은 송수관의 잦은 압력 변화는, 송수관의 이음부, 패킹부, 취약부 등에 충격을 주게 되어, 빈번한 누수 사고를 유발하고 유수율을 저하시키는 요인이 된다. 참고로, 표 1은 특/광역시를 대상으로 한 조사 결과로서, 송수관의 압력이 일정하게 유지되는 도시의 경우에 유수율도 높게 나타남을 알 수 있다.
서울
특별시		 인천
광역시		 대구
광역시		 부산
광역시		 광주
광역시		 울산
광역시
유수율 91.7% 84.8% 86.2% 86.57% 82.03% 82.07%
송수관 압력 일 정 거의 일정 일 정 일 정 변 화 변 화
정수장 전력요금의 전력단가는 계절별, 시간대별로 구분된다. 전반적으로 심야시간대의 전력단가가 가장 싸며, 각 계절마다 시간대별 전력 단가의 비율이 상당한 차이를 보이고 있다.
여름의 경우 낮 시간대와 심야시간대의 전력단가의 차이가 거의 3배이며 가을의 경우는 1.6배의 차이를 나타낸다. 따라서 이와 같이 계절별 전력단가의 차이는 송수관 펌프운전을 결정하는데 있어서 큰 영향 요인이 된다. 전력비용이 가장 싼 시간대는 사계절 모두 심야시간이며, 전력비용이 가장 비싼 시간대는 봄, 여름의 경우 주간시간대, 가을, 겨울의 경우 저녁 시간대이며, 보통 심야시간이 49.1 ~ 65.7% 정도 전력요금이 저렴하다고 할 수 있다.
그런데, 종래에는 급수량에 비례한 송수펌프 주간 가동으로 인해, 전기요금이 싼 심야시간대에는 송수량이 줄어들어 전력량이 줄어들고, 급수량이 증가하는 주간시간대에 송수펌프 운전이 증가되어 전력요금이 증가되는 비효율적인 구조를 가지고 있다. 또한, 이러한 주간시간대의 전력 사용량이 하루 중 전체사용량의 70%를 차지한다.
송수펌프의 시간대별 최적 운영이 이루어지지 않는 경우, 배수지의 수위 조절이 적절하지 못할 뿐만 아니라, 적정 수압 부족현상 발생, 잔류염소량의 자연소모에 의한 수질저하 등의 많은 문제가 발생한다. 따라서, 주간시간대의 전력 사용량을 최소화하여 최대수요전력을 감소시킬 필요가 있다.
본 발명은, 과거의 시간대별 급수량 데이터를 이용하여 현재의 상수도 물수요량을 통계학적으로 예측하고, 이에 대응되도록 배수지의 수위를 시간대별로 조절함에 따라 상수도 운용 효율을 높일 수 있는 상수도 수요예측 방법 및 시스템을 제공하는데 목적이 있다.
본 발명은, 시간대별 물수요량에 대응되는 배수지의 시간대별 급수량 데이터를 수집하여 DB로 저장하는 단계와, 상기 DB에 저장된 데이터를 지수평활법(Exponential Smoothing Method)으로 분석하여, 현재의 시간대별 물수요량을 예측하는 단계, 및 상기 예측된 시간대별 물수요량에 대응되는 최적의 수위가 상기 배수지에서 유지되도록 상기 배수지의 수위를 조절하는 단계를 포함하는 상수도 수요예측 방법을 제공한다.
여기서, 상기 배수지의 수위를 조절하는 단계는, 상기 배수지와 정수지 사이의 물 공급용 밸브의 개도를 상기 시간대별 물수요량에 대응되도록 제어하여 상기 배수지의 공급 유량을 조절할 수 있다.
또한, 상기 데이터를 DB로 저장하는 단계는, 상기 배수지의 시간대별 급수량 데이터를 계절별 또는 요일별로 구분하여 저장하고, 상기 물수요량을 예측하는 단계는, 현재의 계절 또는 요일에 대응되는 시간대별 물수요량을 예측할 수 있다.
여기서, 상기 상수도 수요예측 방법은, 상기 배수지의 현재 수위 및 급수량을 화면 상에 표시하여 실시간 모니터링하는 단계를 더 포함할 수 있다.
그리고, 상기 지수평활법으로 분석하는 단계는 아래의 수학식을 이용할 수 있다.
Ft = αAt -1 + (1-α)Ft -1
α는 0과 1 사이의 평활 상수, Ft는 현재의 예측치이고, At - 1는 과거의 관측치이고, Ft -1은 과거의 예측치이다.
또한, 본 발명은, 시간대별 물수요량에 대응되는 배수지의 계절별, 요일별 또는 시간대별 급수량 데이터를 연간 수집하여 DB로 저장하는 DB부와, 상기 DB부에 저장된 데이터를 지수평활법(Exponential Smoothing Method)으로 분석하여, 현재의 계절 또는 요일에 대응되는 시간대별 물수요량을 예측하는 예측부, 및 상기 예측부의 결과를 이용하여, 상기 배수지에서 상기 시간대별 물수요량에 대응되는 최적의 수위가 유지되도록 상기 배수지의 수위를 조절하는 제어부를 포함하는 상수도 수요예측 시스템을 제공한다.
여기서, 상기 상수도 수요예측 시스템은, 상기 제어부와 네트워크로 연결되고, 상기 배수지의 현재 수위 및 급수량을 화면 상에 표시하여 실시간 모니터하는 모니터링 단말기를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 상수도 수요예측 방법 및 시스템에 따르면, 과거의 시간대별 급수량 데이터를 이용하여 현재의 상수도 물수요량을 통계학적으로 예측하고 이에 대응되도록 배수지의 수위를 조절함에 따라, 상수도 운용 효율을 높일 수 있고, 원활한 급수공급의 상수도 조정체계를 정립할 수 있는 이점이 있다.
이에 따라, 본 발명은 시간대별 급변하는 급수 사용량에 대응하는 배수지 급수의 공급체계를 지능화할 수 있으며, 배수지의 용량을 최대한 활용하면서 정수장의 피크부하를 감소시켜서, 상수도 급수수질의 안정화를 도모할 수 있고, 송수관의 압력을 균등히 함으로써 유수율을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 상수도 수요 예측 방법의 흐름도이다.
도 2는 도 1의 방법을 위한 시스템의 구성도이다.
도 3 내지 도 6은 본 발명의 구체적인 실시예에 따른 상수도 수요예측 방법의 흐름도이다.
도 7 및 도 8은 울산광역시 소재 야음배수지의 유입물량 개선 전 및 본 발명의 실시예를 적용한 개선 후 결과를 나타낸다.
도 9 및 도 10은 울산광역시 소재 야음배수지의 배수지 수위 개선 전 및 본 발명의 실시예를 적용한 개선 후 결과를 나타낸다.
본 발명은, 상수도 시스템의 배수지 운용 효율을 위하여, 시간대별 상수도 수요예측을 판단하고, 판단된 예측치를 이용하여 현재 배수지의 유입량과 수위를 효과적으로 계획함에 따라 상수도 운용 효율을 향상시킬 수 있는 상수도 수요예측 방법에 관한 것이다.
이를 위하여, 본 발명에서는, 과거의 물수요량 데이터를 이용하여 현재의 상수도 물수요량을 통계학적으로 예측하고, 이 예측된 데이터를 통해 현재의 배수지 수위를 적절히 조절하게 된다.
결과적으로, 본 발명은 시간대별 급변하는 급수 수요에 대응되는 배수지 급수 공급체계를 지능적으로 정립할 수 있으며, 상수도 급수수질의 안정화는 물론, 유수율을 향상시키는 효과를 제공한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 상수도 수요 예측 방법의 흐름도이다. 도 2는 도 1의 방법을 위한 시스템의 구성도이다. 상기 시스템(100)은 DB부(110), 예측부(120), 제어부(130), 모니터링 단말기(140)를 포함한다. 이하에서는, 상기 상수도 수요 예측 방법에 관하여 도 1 및 도 2를 참조로 하여 상세히 설명한다.
먼저, 시간대별 물수요량에 대응되는 배수지의 계절별, 요일별 또는 시간대별 급수량 데이터를 연간 수집하여 상기 DB부(110) 상에 저장한다(S110). 상기 시간대별 급수량 데이터는 급수 유량, 배수지의 수위, 수압 등을 감지하는 기존의 배수지에 설치된 각종 센서들(20)에 의해 수집 가능한 부분이다.
물론, 1일간 시간대별 급수량 데이터를 매일 매일 측정하고 수집하다 보면, 상기 요일별 및 계절별 급수량 데이터 또한 수집할 수 있음은 자명하다. 또한, DB부(110)는 상기 수집된 시간대별 급수량 데이터를 계절별 또는 요일별로 구분하여 저장함에 따라, 추후 계절별 또는 요일별 수요예측 분석시 용이하게 사용되게 할 수 있다.
보통의 경우, 급수량 데이터란, 개별적으로 거동하는 개인 혹은 각 세대, 사업소 단위에서 순간적인 물 사용량의 총합으로서, 이러한 개별적 거동이 집적되어 평균적인 변동 패턴으로 보여지게 된다. 여기서, 실제 물수요량 예측을 위해 사용되는 시간대별 급수량 데이터는, 해당 시간대에 관측된 급수량 중 최고값과 최저값을 평균한 데이터를 사용할 수 있는데, 본 발명이 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
다음, 상기 DB부(110)에 저장된 데이터를 지수평활법(Exponential Smoothing Method)을 통해 예측부(120)에서 분석하여, 현재의 시간대별 물수요량을 예측한다(S120). 물론, 이러한 S120단계는 상기 계절별 또는 요일별 저장된 데이터를 이용하여 현재의 계절 또는 요일에 대응되는 현재의 시간대별 물수요량을 예측할 수 있다.
상기 지수평활법은, 가장 최근의 데이터에 가장 큰 가중치가 주어지고 과거의 데이터에 대하여 가중치가 기하학적으로 감소되는 가중치 이동 평균 예측 기법으로서, 어떠한 추세를 갖지 않거나 계절적인 패턴을 나타내는 데이터 또는 추세와 계절성을 모두 갖는 데이터에 사용될 수 있다. 따라서, 상기 지수평활법은 계절별, 요일별, 시간대별 패턴에 따라 변동하는 본원의 상수도 수요예측 방법에 매우 적합하다 볼 수 있다.
상기 물수요량 예측에 사용되는 지수평활법은 아래의 수학식 1을 이용한다.
Figure pat00001
여기서, Ft는 예측된 물수요량, α는 0과 1 사이의 평활 상수, Ft는 현재의 예측치이고, At - 1는 과거의 관측치이고, Ft -1은 과거의 예측치이다.
이러한 물수요량 예측치는, 안정적, 경제적인 물공급을 수요자에게 제공할 수 있는 배수시스템의 운영계획을 이루는 기본적인 요소이다.
보다 정확한 물수요량 예측을 위해서는 5년치 데이터를 적산하여 수요예측을 하는 것이 효과적이다. 매년 데이터가 적산되어 있는 경우에 수요량 예측치 At - 1는 전년도 예측치, Ft -1은 전년도 예측치를 이용한다. 예를 들어, 금일 요일과 일자가 3일 이내 동일한, 전년도 해당 주차 내의 동일 요일에 관한 5년치 값을 선정하여 지수평활법을 이용하여 시간대별 예측 수요량을 산출하고, 이를 통해 1일 총사용 예측 수요량의 산출이 가능하도록 한다.
만약, 현재 누적된 데이터가 부족한 경우에는, 7일치의 데이터를 기준으로 급수량의 최고값과 최저값을 산출하여 평균값을 기초로 수요예측을 실시함으로써, 이를 바탕으로 수요예측치를 매일매일 수정하여 수요 변화에 능동적으로 대응할 수 있다. 또한, 1년이 경과하여 데이터가 축적된 다음에는 점차적으로 과거 년도의 실 발생 데이터를 이용할 수 있게 된다.
이렇게 시간대별 물수요량이 예측된 이후에는, 상기 예측된 시간대별 물수요량에 대응되는 최적의 수위가 상기 배수지에서 유지될 수 있도록, 상기 예측부(120)와 연계 동작하는 상기 제어부(130)의 제어에 따라 상기 배수지의 수위를 조절한다(S130)
상기 배수지에는 기본적으로 수위차 운전 및 비상시 혹은 컴퓨터 고장시의 기본운전을 담당하는 일반적인 제어수단인 PLC 부분(상기 제어부에 대응)이 있지만, 이러한 기존 PLC는 물수요량 예측에 근거한 제어가 불가능하다. 그러나, 상기 제어부(130)는 예측부(120)에 의한 추론 예측에 연계하여 동작되므로 기존 PLC의 단순 기능을 효과적으로 보완할 수 있는 것이다.
그 실시예로서, 정수지의 물은 송수관을 따라 배수지로 유입되는데, 상기 제어부(130)는 송수관에 있는 물 공급용 밸브(10)의 개도를 상기 시간대별 물수요량에 대응되도록 제어 및 조절함으로써, 상기 배수지의 공급 유량(물유입량)을 조절하고, 이에 따라 배수지의 수위를 조절할 수 있게 된다.
또한, 상기 제어부(130)는 배후지의 수위 및 급수량을 감지하는 각종 센서들(20)과 연결되어 있어서, 상기의 센서들(20)로부터 수집된 정보를 상기 모니터링 단말기(140)로 전송하여 관리자 등에게 실시간 정보를 제공할 수 있다. 예를 들어, 상기 배수지의 현재 수위 및 급수량의 상황이 상기 모니터링 단말기(140)의 화면 상에 실시간 표시됨에 따라, 실시간의 상황 감시가 가능하게 한다(S140).
이러한 모니터링 단말기(140)는 상기 제어부(130)와 인터넷 등의 네트워크 수단으로 연결되어 있으며, 상기 네트워크를 통해 상기 제어부(130)로부터 실시간 현재 수위 및 급수량 상황 정보를 수신하여, 이미지, 테이블(표), 그래프 등의 형태로 표시하여 제공한다.
상기 모니터링 단말기(140)로는, PC, PDA, 핸드폰 등의 다양한 수단이 사용될 수 있다. 물론, 이러한 모니터링 단말기(140)는, 상기 제어부(130)와 연결되어, 운전 중 발생하는 각종 이상발생 상황에 대한 경보 기능, 자동 복구 기능 등을 수행할 수 있다.
이하에서는, 본 발명에 관한 보다 구체적인 실시예에 관하여 도 3 내지 도 6을 참조로 상세히 설명한다. 참고로, 도 3 내지 도 6에 기재된 기호의 설명은 표 2를 참조한다.
T1 오전 실수요량과 평균수요량 일치 예정시각
T2 오후 실수요량과 평균수요량 일치 예정시각
T3 T1에서 T2까지의 시간
Q1 예측 총량
Q2 예측 평균사용량
Q3 T3 시간중 시간대별 예측 총유입요구량
Q4 구간시간대별 평균유입유량
Q5 예측 과부족량(현재수위-계획수위)
Q6 실제 소요유입량
먼저, 도 2를 참조하면, 상기의 시스템(100)은 상수도 수요예측을 위한 과거 데이터를 검색하는데, 그 예로서 전년도 5년간 데이터를 DB부(110)로부터 검색한다(S310).
더 상세하게는, 검색된 데이터 중에서 금일 요일과 일자가 3일 이내 동일한 전년도 해당 주차 내의 동일 요일에 관한 5년치 값을 선정한다(S320).
여기서, 3일 이내라는 기준은 예측 효율에 따라 변경 적용될 수 있는 값이다. 현재 누적된 데이터가 부족한 경우에는 오늘을 기준으로 전일 7일간 데이터를 검색하여 예측에 사용한다(S330).
이하의 계산 및 예측 과정 등은 제어부(130) 및 예측부(120)에서 각각 수행한다. 상기 S320단계 이후에는, 선정된 그날의 5년치 값을 이용하여 하루 총사용량의 최대치와 평균치를 구하고, 상기 최대치를 평균치로 나눈 값(첨두부하율)이 1.2보다 작은지를 판단한다(S340). 물론, S330단계를 거친 경우에는 전일 7일 간의 데이터를 이용하여 첨두부하율을 구한다. 이하에서는 5년치 데이터를 이용한 경우를 실시예로 하여 설명한다.
상기 하루 총사용량의 최대치 값이 평균치 값을 벗어날수록 첨두부하율이 커진다. 사용된 기준 첨두부하율 값인 1.2는 지역의 첨두부하율을 감안하여 실제 운전상태에 따라 조정이 가능하다. 참고로, 울산지역의 첨두부하율은 약 1.19이다.
첨두부하율이 1.2 이하인 경우에는 S350단계를 수행한다. 첨두부하율이 1.2를 초과하는 경우에는 평균치에 1.2를 곱한 값을 하루 총사용량으로 선정하고 S350단계를 수행하며, 감시반에 문제를 제기하는 S370 단계를 실시한다
상기 S350단계에서는 시간대별 예측량과 1일 총사용 예측량을 산출한다(S350). 이때, 5년치 시간대별 평균사용량을 이용하여 지수평활법을 통해 산출한다.
그리고, 하루 총사용량을 24시간으로 나누어 평균유입량을 산출하고, T1(오전 실수요량과 평균수요량의 일치 예정시각)과 T2(오후 실수요량과 평균수요량의 일치 예정시각)가 발생하는 시각을 각각 산출한다(S380).
다음, 도 4를 참조하면, T1에서 T2까지의 시간인 T3(=T1-T2) 시간을 구하고, 예측총량 값 Q1을 사용하여, T3 시간 중 예측되는 총유입요구량(Q3)을 산출한다(S410). 또한, 이를 기반으로 시간대별 예측수위 및 평균유입목표량을 DB로 갱신한다(S420).
다음, 구간시간대 평균유입유량 Q4(=Q3/T3)를 산출하고 현재 송수관 압력(P1)을 측정하여, 이를 바탕으로 구간시간대 평균유입을 위한 밸브(10)의 개도를 설정한다(S430).
또한, 배수지의 계획수위를 설정하고, 현재수위에서 계획수위를 뺀 값인 수위과부족량 예측값 Q5를 산출한다. 계획수위가 작으면 예측 수위 과부족량이 발생한다. 그리고, 상기 Q4와 Q5를 이용하여, 실제 예측되는 소요유입량 Q6(=Q4+Q5)를 산출한다(S440). 즉, 실제 예측되는 소요유입량 Q6은 구간시간대 평균유입유량 Q4 값에 상기 수위과부족량 Q5 값을 합산한 값이다.
이후에는, Q6≥Q4×1.1 또는 Q6≤Q4인지 판단한다(S450). 만약, Q6 값이 Q4의 1.1배 이상인 경우, 즉 실제 예측되는 소요유입량(Q6)이 평균유입유량(Q4)보다 1.1배일 때에는 배수지 수위가 높아지도록 밸브(10)를 스탭별로 오픈하여 밸브(10)의 개방량을 증가시키고(S460), 감시반에 피크부하율을 표시한다(S470).
또한, Q6 값이 Q4 이하인 경우, 즉 실제 예측되는 소요유입량(Q6)이 평균유입유량(Q4)보다 작을 때에는 밸브(10)의 개도를 그대로 유지한다(S480).
상기 S460단계의 밸브(10) 조절을 통해 수위가 조절된 다음에는, 도 5를 참조하면, 실제수위가 계획수위의 1.1배 내지 0.9배 사이 값인지 판단한다(S510). S510단계의 판단 결과, 그러한 경우에는 밸브(10)의 개도를 유지하여 이후의 과정을 반복한다(S480).
또한, 상기 S510단계의 판단 결과, 그렇지 않은 경우에는 현재 배수지 수위가 최고수위보다 큰지를 판단한다(S520). 만약, 현재 배수지수위가 최고수위를 초과한 경우에는 밸브(10)를 전폐하도록 한다(S530).
이후, 현재 배수지수위가 최고수위의 80%보다 이하인지를 판단한다(S540). 상기 S540 단계의 판단 결과, 그러한 경우에는 다시 S440단계로 리턴하여 상기의 과정들을 반복한다. 이와는 달리, 현재 배수지수위가 최고수위의 80% 이하로 떨어지지 않으면, 감시반에 고수위 경보를 발령한다(S550).
또한, 상기 S520 단계에서, 현재 배수지 수위가 최고수위 이하인 경우로 판단된 경우, 즉 도 6를 참조하면, 이때는 현재 배수지 수위가 최저수위보다 낮은지를 판단한다(S610). 판단 결과, 그러한 경우에는 밸브(10)를 오픈하여 배수지에 물이 유입되어 수위가 높아지도록 조절한다(S620). 그렇지 않은 경우에는 다시 S440단계로 리턴하여 상기의 과정들을 반복한다.
또한, S620단계 이후에는, 현재 배수지 수위가 최고수위의 50%로 수준까지 높아졌는지를 판단한다(S630). 그러한 경우에는 다시 S440단계로 리턴하여 상기의 과정들을 반복한다. 그렇지 않은 경우에는 감시반에 저수위 경보를 발령한다(S640).
이상과 같은 실시예를 울산광역시 소재 야음배수지에 적용한 결과는 다음과 같다. 이를 위해, 현장 조작을 전담하는 PLC 부분인 제어부(130)와 최적화된 유입유량을 결정하는 추론기관인 예측부(120)를 별도로 구성하고, 송수량과 급수량의 통계적인 처리를 통해 야음배수지의 지능화 운전을 수행하였다.
도 7 및 도 8은 울산광역시 소재 야음배수지의 유입물량 개선 전 및 개선 후 결과를 나타낸다.
본 실시예를 적용하기 전인 도 7의 경우를 참조하면, 시간대별 배수지 유입물량 변동 편차가 1,466ton/hr로 나타났다. 그러나, 본 실시예를 적용한 도 8의 경우에는 물량변동 편차가 250ton/hr으로서, 기존에 비해 90% 가량 크게 감소된 것으로 나타났다.
이러한 결과로부터, 본 실시예를 적용한 경우, 배수지 유입물량 편차 경감으로 인한 정수장 피크부하 감소되어 정수장으로부터의 배수지 유입물량이 거의 일정하게 유입됨을 알 수 있다. 여기서, 물량변동 편차가 작을수록 송수관의 압력이 일정하게 유지될 수 있어, 송수관의 손상을 줄이고, 유수율을 향상시키며 급수 수질을 안정화시키는 효과가 있다.
도 9 및 도 10은 울산광역시 소재 야음배수지의 배수지 수위 개선 전 및 개선 후 결과를 나타낸다.
본 실시예를 적용하기 전인 도 9의 경우에는 70~85% 사이의 수위 변화로 운전되었고 그 변동폭은 15%로 나타났다. 본 실시예를 적용한 도 10의 경우에는 시간에 따라 50~85% 사이의 수위 변화를 유지한 것으로 나타난다. 이는 개선 후 배수지 전체를 예측수요에 따라 유연하게 활용할 수 있고, 효율적인 운전 방안을 제시함을 의미한다.
이상과 같은 본 발명의 실시예를 통해, 시간대별 물수요량을 근거로 한 송수 및 배수시스템 제어에 관한 효율적인 운영방안을 제시할 수 있었고, 송수량을 결정하는 판단자료로서 시간별 물수요량 예측결과를 사용 및 운영하는 방법에 관하여 검토하였다. 또한, 예측 정도가 상이한 물수요량의 예측결과를 배수지의 수위제어에 적용하여, 배수지가 갖고 있는 완충기능과 보완기능에 대한 명확한 해석이 가능하도록 하였다.
즉, 본 발명은 배수지의 시간대별 급수량의 변화를 축적된 데이터의 통계학적 분석을 통해 급수지역의 시간대별 수요예측을 추론해 내고, 이를 통해 배수지 운영에 요구되는 최적 유입유량과 시간대별 최적 수위를 도출하며, 도출된 수위를 유지하기 위해 송수관에서 공급받는 물량을 최대한 균등화시키는 시스템을 갖는다. 이에 따라, 추후 정수장의 생산량도 비례적으로 균등화가 가능해질 것이며, 배수지 유입 송수 유량 균등화로 송수관 유입압력도 균등하게 될 것이다.
이러한 효과에 기반하여, 이를 향후 신설되는 대용량의 배수지에 적용시켜 배수지 운영의 효율성을 확보할 수 있다. 이를 회야 계통 전체 배수지에 적용할 경우 예상되는 효과는 다음과 같다.
첫째, 송수물량의 균등화로 정수장 피크부하를 감소시켜 정수 수질을 향상시킨다.
둘째,정수장의 피크 부하 감소로 인해, 현 정수장 능력(45,000Ton)의 정수장 증설효과(110억 원 이익효과 추정)가 있다.
셋째, 배수지 내 유입압력 균등화를 통해, 효율적인 송수압 관리가 가능하고, 누수사고를 절감하여 유수율 향상에 기여한다.
넷째, 야간시간대 생산량을 증대하여 심야시간대 전력사용으로 연간 100,000천원의 전기요금 절감효과를 실현한다.
다섯째, 지능화 운전으로 보다 효율적인 무인화 운전이 가능하게 한다.
이상 본 발명의 실시예에 따른 결과를 요약하면 다음과 같다.
우리나라 정수공정은 사용 역사가 오래되어 대체로 기존의 운영방법을 그대로 받아들이고 있는 경향이 있고, 기존 정수공정의 대부분은 외국의 연구결과나 시설설계 지침을 그대로 도입해서 설치 운영하고 있는 경우가 많다. 그래서 실제 운영과정에서 다양한 문제점이 드러나고 있는 상황으로 정수처리공정 및 급수공정의 효율적 운영을 위한 시설진단과 개선방안 제시가 필요한 상황이다.
본 발명에서는 기존 PLC 운영에 컴퓨터를 활용한 물수요량 추론과 배수지 예측수위 조절을 추가 접목하여, 정수장 효율성 증진 및 송수관 누수 최소 방안을 제시한다.
배수지 예측수위 조절기술은 축적된 데이터의 통계학적 분석을 통해 계절별, 시간대별, 급수량의 변화에 대한 수요예측을 추론해 내고, 이를 통해 시간대별 최적 수위를 도출하여 배수지 내 공급유량을 조절하는 것이다. 이와 같은 기술을 도입하였을 때 예상되는 효과로는 배수지 증설효과, 정수장 증설효과, 전기요금 절감효과가 예상된다.
또한, 배수지 내 유입물량을 균등화하여 송수관 유입압력을 균등하게 함으로써, 송수관 누수사고의 방지가 가능하고, 누수의 조기 발견이 가능해질 것으로 예상되며 유수율 향상이 기대된다.
위와 같은 배수지 예측수위 조절기술은 정수장의 효율적 운영 및 송수관 누수 최소화에 기여할 것이며, 나아가 상하수도를 사용하는 시민들의 불편을 최소화하는 데에도 큰 기여를 할 것으로 기대된다. 또한, 향후 보다 지능화된 전문가 시스템을 상수도 행정에 도입함으로써, 상수도 경영의 효율적이고 과학화된 발전을 도모할 수 있을 것이다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능한 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
100: 상수도 수요예측 시스템 110: DB부
120: 예측부 130: 제어부
140: 모니터링 단말기

Claims (8)

  1. 시간대별 물수요량에 대응되는 배수지의 시간대별 급수량 데이터를 수집하여 DB로 저장하는 단계;
    상기 DB에 저장된 데이터를 지수평활법(Exponential Smoothing Method)으로 분석하여, 현재의 시간대별 물수요량을 예측하는 단계; 및
    상기 예측된 시간대별 물수요량에 대응되는 최적의 수위가 상기 배수지에서 유지되도록 상기 배수지의 수위를 조절하는 단계를 포함하는 상수도 수요예측 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 배수지의 수위를 조절하는 단계는,
    상기 배수지와 정수지 사이의 물 공급용 밸브의 개도를 상기 시간대별 물수요량에 대응되도록 제어하여 상기 배수지의 공급 유량을 조절하는 상수도 수요예측 방법.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 데이터를 DB로 저장하는 단계는,
    상기 배수지의 시간대별 급수량 데이터를 계절별 또는 요일별로 구분하여 저장하고,
    상기 물수요량을 예측하는 단계는,
    현재의 계절 또는 요일에 대응되는 시간대별 물수요량을 예측하는 상수도 수요예측 방법.
  4. 청구항 2에 있어서,
    상기 배수지의 현재 수위 및 급수량을 화면 상에 표시하여 실시간 모니터링하는 단계를 더 포함하는 상수도 수요예측 방법.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 지수평활법으로 분석하는 단계는 아래의 수학식을 이용하는 상수도 수요예측 방법:
    Ft = αAt -1 + (1-α)Ft -1
    α는 0과 1 사이의 평활 상수, Ft는 현재의 예측치이고, At - 1는 과거의 관측치이고, Ft -1은 과거의 예측치이다.
  6. 시간대별 물수요량에 대응되는 배수지의 계절별, 요일별 또는 시간대별 급수량 데이터를 연간 수집하여 DB로 저장하는 DB부;
    상기 DB부에 저장된 데이터를 지수평활법(Exponential Smoothing Method)으로 분석하여, 현재의 계절 또는 요일에 대응되는 시간대별 물수요량을 예측하는 예측부; 및
    상기 예측부의 결과를 이용하여, 상기 배수지에서 상기 시간대별 물수요량에 대응되는 최적의 수위가 유지되도록 상기 배수지의 수위를 조절하는 제어부를 포함하는 상수도 수요예측 시스템.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 제어부와 네트워크로 연결되고, 상기 배수지의 현재 수위 및 급수량을 화면 상에 표시하여 실시간 모니터하는 모니터링 단말기를 더 포함하는 상수도 수요예측 시스템.
  8. 청구항 6에 있어서,
    상기 지수평활법으로 분석하는 상기 예측부는 아래의 수학식을 이용하는 상수도 수요예측 시스템:
    Ft = αAt -1 + (1-α)Ft -1
    α는 0과 1 사이의 평활 상수, Ft는 현재의 예측치이고, At - 1는 과거의 관측치이고, Ft -1은 과거의 예측치이다.
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