수관망gis의공간의사결정지원 시스템(sdss)구축방법 · 여기서,...

｜수관망 GIS의 공간의사 결정지원시스템(SDSS) 구축방법｜

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1. 사업개요

1.1 연구 목적 및 배경

각분야에서GIS활용을위한연구및프로그램개

발이활발히이루어지고있으나전문가가아니면이

해할수없는수준이므로일반운영자나사용자들이

매우어렵게여기고있는상황이다. 따라서, 일반운

영자들이쉽게사용하고현재상황에서적용할수있

는 방법을 수관망 GIS를 기준으로 소개함으로써

GIS공간의사결정시스템을활발히구축하는데이

바지하고자한다

먼저, 국가GIS 사업계획에의거한「국가GIS

구축절차」를보면

·정보구축단계(1단계: 2000년까지)

- 공간정보수요/공급현황조사

- 공간정보체계의기본틀정립

- 공간정보「데이타베이스」구축

- 공간정보「데이타베이스」관리/ 유통체계개

발

·정보활용단계(2단계: 2001년이후)

- 수요자목적별「데이타베이스」구축

- 공간의사결정지원체계(SDSS) 개발

- 업무및행정지원「시스템」구축

으로써이에부응하도록수관망GIS를1단계에

서2단계로발전활용하도록하기위한것으로현재

구축된「상수도GIS」와수자원계통GIS를공간의

사결정지원체계로개발하고업무및행정지원「시

스템」을구축하고자함.

SDSS(Spatial Decision Support System)

1.2 기술의 내용

현재국가에서시행하는국가GIS중수관망GIS

에관망해석기능을접속시켜향후수관망GIS에서

관망해석을하도록하여서아래와같이3가지의수

관망모형을구축한다음

·기준관망모형(학술적데이터입력)

수관망GIS의 공간의사결정지원시스템(SDSS)구축방법

김 일 복1)

1. 사업 개요

2. 본 론

3. 결 론

1) ( ) ([email protected])

·실제관망모형(실제조사및실측데이타입력)

·가상관망모형(계획에따른수관망변화데이터

입력)

상기관망을서로비교검토함으로써상수관망의

이상유무를파악하여계획수립및결정에필요한정

보를제공하는공간의사결정지원시스템을구축하

는방법이다.

1.3 수행방법

일반사용자가이해할수있도록GIS와관망해석프

로그램을접속시키는과정과공간의사결정지원시스템

을만들기위한관망모형(3종류)을형성하는과정을

GIS용프로그램인ArcView와관망해석프로그

램인PIPE2000 (KYPIPE3를윈도우용으로

업그레이드함)을이용해서실예를중심으로소개하고

각관망모형을만드는데중요한속성정보의결정과측

정방법및오차조정방법은미국캔터키대학Dr.

Lindell Ormsbee의 Network

Modeling를참조하였으며본과제는수관망GIS

의공간의사결정지원체계를구축하는방법중한가지

를제시하고자하는것으로서어떤특정지역의관망을

대상으로실행한것은아니다. 본과제연구및발표를

위해 캔터키대학에서 시행되는 Hydraulic

Modeling Course와GIS/ Database

Interface Course 교육내용및이과정의교육

과제를이용하여본과업을수행하였다.

2. 본론

2.1 GIS와 관망 해석 프로그램의

Interface

GIS와관망해석프로그램의접속방법은GIS와

연계시킨 (Linked)방법, GIS와 통합된

(Intergreted)방법, GIS 내에 구축시킨

(Embedded)방법 등으로 구분되는데 본

Interface방법은이중GIS와통합된방법으로

서하나의데이터베이스를공유하며각각의시스템

에서필요한데이터의양식은시스템내부에서<그림

1>과같이상호변환된다.

AM (Automated Mapping),

FM(Facilities Management), GIS(Geographic

Information System) .

즉, GIS에서Arc View, Auto CAD로

형성된도형정보와속성정보를관망해석프로그램

(PIPE2000)과 공유할 수 있도록 Database

로 보내면 이 정보를 각각의 Software에 있는

Editing, Export, Import, Query 기

능등을이용하여상호필요한Format으로구성

하여 서로 사용을 하는데 이때 EXCEL,

ACCESS를이용한다.

실예로서GIS에서많이사용되는ArcView와

관망 해석으로 많이 사용되는 PIPE2000의

Interface 과정은다음과같다.

가. Develop Shapefile(Arc View)

｜설계분야｜

90｜유신기술회보제9호

<그림1> GIS /관망해석Interface 관계

Arc View에서PIPE 2000과공유할수있

도록.shp 파일을변화시킨후저장한다.

나. Import Shapefile(PIPE 2000)

Arc View에서 공유할 수 있도록 만들어진

.shp 파일을Import 기능을이용하며파일을

PIPE2000 안으로불러들인다.

다. Layout Model on top of Map

PIPE 2000 안에불러들인.shp파일을Add

Map 기능을이용하여관망도및관망속성정보를

나타낸다.

여기서, 불러들인 파일을 이용하여 관망 해석을

실행하며관망에서의유속, 유량, 압력등의정보를

획득할수있다.

라. Export Model(PIPE 2000)

앞의 과정에서 .kyw 파일이 만들어지는데

PIPE 2000에있는Data Exchange 기능

을이용하며Arc View에서필요로하는정보만

선택하여이동시킨다음Export Arc View를

실행하여n.dbf(node data), p.dbf(pipe

data) 파일을만든다.

마. Import New Theme(Arc View)

Arc View에서Add Theme를이용하여앞

의과정에서형성된파일을불러들인다.

이와같은방법으로GIS와관망해석프로그램을



상호접속시킨다.

여기서 각종 시설물 관리는 현재 구축된 상수도

GIS에서, 물공급관리는관망해석에서구분하여

효과적으로할수도있고, 현재GIS에서통합하여

관리할수있다.

그러나위와같은Interface 기능및방법만을

이용하여공간의사결정지원시스템이구축되는것

이아니므로위해관망모형을어떻게구성하고, 각

관망모형에서나온정보를어떻게저장하고편집하

여사용방법을모색하는것이필요하다. 즉, 단순히

현재GIS에관망해석기능을추가하여얻어진결과

만갖고는관망의이상유무를파악및계획수립등에

는큰효과가없으므로위기능을이용한수관망모형

을구성할필요성이있다.

2.2 공간의사 결정 지원 체계를 위한 상수

관망의 모델링 방법

현재구축되거나구축될수관망GIS에서앞에서

와같이관망해석기능을할수있지만상수관망의

모형을어떻게구성해야이상유무를파악하거나계

획수립및결정에필요한고급정보를얻을수있는지

수관망 모형을 다음과 같이 3가지로 모델링하여서

공간의사결정지원체계( SDSS)를수립한다.

2.2.1 기준관망모형

어떤분야나이상유무를판단하기위해서는정상

상태인기준이있어야만가능하다. 특히수관망의특

성상압력, 유량의변화가일정치않으므로예측하기

가어렵기때문에기준관망모형은매우중요하다.

기준관망모형은관로에서누수가전혀없고밸브

의조작(open상태)이되어있지않으며관로는모

두신관인정상적인상태를말하여배수지, 펌프등

의시설에이상이없는경우를기준으로하고, 관망

의기본원리와학술적기본값을입력데이타로적용

하여관망해석을실행시킨값을갖는수관망모형을

말한다. 특히, 급수사용량은급수량에급격한변화

를일으키는급수관의파열, 수도시설의개수, 청

소, 교체등으로인한단수조치등이없는상태에서

각지역마다실시하는수도정비기본계획의지침이

나보고서상의급수량을기준으로하거나그동안검

침된급수량자료를기준으로할수있다. 여기서,

급수량은시변성이있으므로1일기준, 월별기준등

으로구분하여최대, 최소, 평균사용량으로기준관

망모형을만든다.

2.2.2 실제관망모형

기준관망모형을근거로하여수관망내의관마찰

손실계수, 급수량의분배와주요지점에서나타나는

실측압력, 유량, 유속등의실측치를적용하고관망

해석을실행하여전체관망에서실제운영되는압력,

유량, 유속등이나타나는실제관망모형을만든다.

여기서, 실제관망모형의정확성을위한측정방법

및 조정 과정(Calibration)이 매우 중요하다.

왜냐하면, 조정과정이없을경우는실제관망과모

형과의오차가거의40%이나, 최적의조정과정을

시행하였을경우는그오차를5% 이내로수관망모

형을만들수있는데Dr. Lindell Ormsbee

가발표한조정과정을요약하면다음과같다.

가. Identify the intended use of the model

관망조정을하기전에관망의사용계획(마스터플

랜상파이프직경, 운영방안, 설계계획, 복구방

안, 수질 관리 방안 등)과 복합적 수리 해석 방안

(steady-state versus extended-

period)를확인하여야한다. 즉, 정적상태와주

기적변화상태에대한수리해석은매우중요한데수

질 관리나 운전 방안은 주기적 변화상태

(extended-period)해석이필요하고설계방

안이나 어떤 계획 등을 실행하는 데는 정적 상태

(steady-state)의해석이필요하다. 즉, 관망

｜설계분야｜




전체의마스타플랜, 설계계획, 운전방안, 복구관

리방안등에대해확인을해야한다.

나. Determine initial estimates of the model parameters

조정과정의제2단계로서관망설계인자의초기

계산값을결정하는것으로서관손실계수와급수유

량결정을하여야한다.

(1) 관손실계수결정방안

·학술적결정방법(Literature Values),

.

·현장조사결정방법(Field Testing)

(2) 절점의유량분배결정방안

유량결정에는아래분배방법을각지역특색에맞

게적용하고, 점진적으로복합적인지역에대해종합

적으로적용결정한다.

다. Collect calibration data

관망조정과정에서필요한데이터를선정하는과

정으로서소화용수시험, 펌프장유량계, 탱크수두

등을가장많이적용한다.

(1) Fire Flow Test

<그림1> Field Testing의 방법

<그림2> Parallel Pipe Method

<그림3> Two Gage Method

<그림4> 면적및특성별유량분배방법

(2) 원격측정데이타

- Tank levels over time

- Pressures over time

(3) Water Quality Data

- Fluoride Concentration

염소소독의유지시간을측정하여각관로내의흐

름이나, 도달시간을파악한다.

이데이터는현재관망에서사용되는설계인자중

에서실측된상황, 실측된결과, 소화용수테스트,

펌프장유량계값, 탱크변화상태등은가장일반적

으로사용되는값이다.

라. Evaluate the model results

앞에서와같은과정을거쳐결정된설계인자를이

용하여관망모형에대한평가과정으로서관망해석

된자료를분석하기전아래와같은사항을확인한다.

(1)잘못된모형속성:관손실계수, 절점분배유

량

(2)잘못된관망자료:관직경, 관길이

(3)부적합한관망의고저:문제있는절점의파이

프연결상태

(4)부적합한압력범위를명확하게정의함

(5)잘못된환경상태:잘못된압력조절밸브설치,

탱크의수위, 펌프성능곡선등

(6)잘못된운전상황기록:펌프의기동과정지의

부적합한시간

(7)측정장치의잘못: 압력게이지의적절한조정

불시행

(8)측정의잘못:측정기구로부터잘못된값을읽

음.

위와같은사항을확인후관망해석을시행한다.

바. Perform the macrolevel calibration

포괄적조정과정실행단계로서관망해석을한결

과치가 실측치보다 과도한 (약30%이상) 차이가

발생되면라. 항의확인내용이잘못되었을가능성이

크다. 따라서포괄적인조정과정을위해잘못된것

을찾는방법은관망모형의자료를체계적으로관리

하고, 관망모형에사용된자료중확실하고, 정확한

실측데이타와비교한다.

즉, 여러가지자료중다른자료보다신뢰성이적

은것이있는데이러한자료를별도로조사하여확인

을한다.

사. Perform sensitivity analysis

감수성 관망 해석 실행 단계로서 미세 조정과정

(microlevel Calibration)을실행하기전에

관망해석에사용된설계인자를전체적으로조정하여

관망모형에서해석된결과의오차가최소화되도록조

정한다. 특히, 중대한영향을미치는관손실계수와

유량분배계수를전체적으로또는부분적으로변화시

켜조정과정을실행함으로써미세조정을하기전까지

계속적으로관망모형의값이최대한실측치와일치되

도록하여야한다.

｜설계분야｜


아. Perform microlevel model calibration

관망모형의해석결과와실제관측한결과가거의

동일하게되면미세조정과정을실행해야한다. 여기

서, 설계인자중조정과정마지막단계까지조정되는

것은관손실계수와절점유량인데많은경우에미세

조정 과정은 정적 상태 조정(steady-state

calibration)과 주기적 변화(extended-

period calibration) 2단계로구분하여실행

하는데정적상태조정은관망모형설계인자를복합

적인정적상태에서측정된압력과유량과의관계를종

합하여조정하는것이며주기적변화상태조정은관망

모형설계인자를시간에따라변화하는압력및유량

뿐만아니라탱크의수위변화를종합하여조정한다.

대개의경우정적상태조정과정은관로관손실계수

변화에더욱민감하고주기적상태조정과정에서는분

배유량변화에더욱민감하다. 따라서관손실계수는

소화용수시험결과를이용해세밀히조정하고분배유

량은유량, 압력, 저수조수위등의자료를통해자세

히조정을한다. 또한여러번의반복실행(trial-

and-error)을하여실제관망과일치하도록실제

관망모형을구축한다.

2.2.3 가상관망모형

가상관망모형은기준관망모형이나실제관망모

형을이용하여관할지역의관망변화(철거, 연장,

개량, 변경등)가있을경우전체관망에미치는영향

을파악하고자하는것으로서수관망시설의계획수

립에큰도움이될것이다. 기준관망모형이나실제

관망모형이되어있으므로가상관망모형의작업이

매우간단하게이루어질수있다.

2.3 공간의사 결정 지원체계 구축 방법

앞의과정을통해서만들어진3가지의수관망모형

의자료를종합분석하여공간의사결정지원을할수

있도록각분야에서요구되는내용을포함한각종테

이블및그래프를도출해내고GIS와관망해석프

로그램의그래픽기능을이용하여입체적으로표현

되도록함으로써운영자나관리자가이상유무파악

이나계획수립및결정이과학적이고신속히이루어

지도록한다. 즉, 아래그림과같이새로운지역개발

시관망의변화에따른결과를파악하기위해서각파

이프에서원하는공급유량을흘려보낼수있고또한

관로의연결, 증설, 철거, 차단, 통수시등의변화

데이타를입력시켜이때변화된각절점, 파이프에서

의공급유량, 압력, 유속등을알아내고이를비교

검토하여현재관망에미치는영향과이상유무를즉

시확인한다.

관망에서이상유무파악및계획결정지원방법은

위에서해석된데이터를사용하여자동으로아래<표

1> 관망진단및대책결정과같이각지점의압력을

비교하여오차가큰문제지점을표시하고이에대한

대책을우선순위별로나타나도록표를만들어서운영

자나관리자가신속하고정확하게판단및결정을하

도록지원을한다.



<그림5> 관망 변화의 그래픽 표현

구분A동네 B동네 C동네

A1 A2 A3 A4 B1 B2 B3 B4 C1 C2 C3

기준압력 158 151144147 181 169170163139 0 0

가상압력 155148141145 179165165157132129126

감소율(%) 2 2 2.1 1.4 1.1 2.4 2.9 3.7 5.0 - -

문제지점 0

해결방안 1. 밸브조절, 2. 관경변경, 3. 급수압상승, 4. 가압시설설치

<표1> 관망진단및대책결정

A , B C1

.

3. 결 론

환경부에서98년4월에발간한“전국수도종합계

획서"에 따르면 현재 우리나가 상수 공급량의 약

15% 이상이수도관에서의누수에의해손실되고있

는실정이며이를금액으로환산하면연간3,500억

원이나된다. 누수를완전히방지하는것은불가능하

지만본기술을활용하여수공급관리체계를수립하

면누수량을최소화할수있으며누수량을1%만줄

인다하더라도연간230억원을절감할수있으므로

이로인한예산절감은국가경제에큰도움이될것이

다.

본기술의추진방향은본기술의수요처가국가공

공기관및지자체이므로본기술에대한신뢰도와인

증을획득하여각지자체에홍보하고관련부처에적

극반영토록협조요청하며, 상수도GIS를구축하

는국내SI(시스템통합) 업체와의제휴협력등으

로수관망GIS 구축시공동참여하여본기술의적

용과발전을도모하고자한다. 따라서이에대한각

분야에서의적극적인협조가필요하겠다.

본발표는수관망에서공간의사결정지원시스템

구축에대한방향제시및기본적인방법을언급한것

으로서향후기준관망에적용할각요소의연구와실

제 관망에 대한 실측 방법 및 정확도를 높이는

Calibration Method를 개발하여 수관망의

진단및변화에대한분석및대책에대해바람직한결

과를 도출함으로써 Crain 등이 말한 성공적인

GIS 즉, 인벤토리툴(Inv-entory Tool)에

서시작하여분석도구(Anal-ysis Tool)를거

쳐 궁극적으로 관리 도구(Ma-nagement

Tool)까지발전시키는진정한GIS 시스템이될

것이다.

본기술의관망분석은폐쇄관로에서발생되는유

체의흐름을분석하는것이기때문에향후가스공급

관로, 송유관 공급관로, 하수관로, 난방공급관로

등모든폐쇄관로 관리시스템에적용되어활용가능

하며 이외에도 향후 GPS (Global

Positioning System)를이용하여관망의변

화를실시간으로분석하고그결과를즉시확인할수

있는실시간시스템을만드는기반이되며이는본기

술의다음연구과제로서이실시간시스템은측정기

기의정밀도, 전달과정, 관리체계등의여건조성

이충분히성숙되어야하는조건이필요하겠다. 또

한, 수관망의중요시설인펌프, 밸브, 수조등의운

전및작동을자동으로콘트롤할수있는수도시설및

관로운영시스템으로발전되어나가는파급효과가

기대되고있으며세계적으로도이와같은방향으로

추진되고있다.

※본발표문은한국수자원공사에서주최한“제12회수도운영. 건설기술발표

회및상수도포럼개최"에서발표문집에게재및발표(2001. 10. 18)를하였

으며본내용을근거로제0314596호(2001. 10. 31) “수관망관리장치”

로특허취득함.

｜설계분야｜


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