• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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• 2015.05a
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• pp.208-208
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• 2015

다수의 양수정이 연결된 군정은 복수 개의 펌프와 상당한 길이의 관수로 구성된다. 이 때 펌프-관망 시스템의 생애주기 비용의 최소화를 위하여 재료비, 시공비 등이 고려된 초기비용과 양수정 가동을 위한 에너지비용으로 구성되는 운영비용을 최소화하기 위한 기법을 연구하였다. 이 두 가지 비용은 서로 반비례 하는 형상을 띄고 있다. 따라서 관망의 각 요소와 펌프의 종류 및 소요 동력을 감안하여 설계해야 한다. 가령, 직경이 커질수록 펌프가 제공해야 하는 양정이 줄어들어 소요 동력 비용은 줄어들지만 초기 설치비가 증가하므로 이들의 상관관계를 알아내어 적절한 균형을 찾아내야 할 것이다. 본 연구에서 고려한 최적화 결정변수는 관경과 펌프 사양이다. 펌프-관망 시스템 최적화의 제약 조건에는 별도의 지하수 관정 최적설계 기술로 도출된 관정들의 위치, 양수량 분포, 그리고 각 양수정의 수위이다. 최적화 기법으로는 유전자 방법을 사용하였다.

• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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• 2004.05b
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• pp.1316-1320
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• 2004

생활수준의 향상과 기술발전에 따라 상수도 관망시스템에 관할 관점 또한 기존의 설계 및 해석의 개념에서 안정적이고 효율적인 용수공급 운영의 측면으로 변화하고 있다. 본 연구에 서는 상수도 시스템을 효율적으로 운영하기 위한 방법을 관망운영의 측면에서 모색하였으며, 수도권 광역상수도를 대상으로 하여 시범 적용하였다. 본 연구는 현재 시점에서 안정적인 용수공급이 가능한 가능최소 에너지 비용을 구하는 것이 목적이다 용수수요량의 변화 등 운영여건이 바뀌게 되면, 수리적 안정성이 확보되는 범위내에서 가능한 최적의 펌프운영패턴을 도출하였다. 현재 용수공급량 변동시 또는 연계운영 방법의 변경시와 같은 운영여건 변동에 따른 경제적운영 방안 등에 대한 연구가 미비하여 가장 최적의 운영방안 도출이 어려운 실정이므로, 본 연구를 통하여 연계운영에 최적화 기법의 적용 및 운영방안의 도출을 수행하였다. 운영여건의 변경시 펌프장 등에서의 전력원단위 변화 등 각 단계별 수도시설의 종합적 고려를 통한 경제적 운영방안을 검토할 수 있는 상수관망 최적운영모형의 실제 탑재 모델을 개발하였으며, 이를 기반으로 하여 실제 현장에서 담당자가 쉽게 사용할 수 있는 사용자 편의 환경을 개발하였다.

• Water for future
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• v.27 no.3
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• pp.135-143
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• 1994

This paper presents a model for the optimal design of dendritic water distribution systems using linear progranning technique. The optimization model was formulated and applied to a coastal region reclamation project site located in Hae-Ham, Jun-Nam province. The water distribution systems in the region had aleady been designed using a hydraulic simulator(BRANCH). The optimization model developed in this research utilized the data given in the report of the project. The comparison between the systems designed by the simulator and by the optimization model shows that the optimization model provides better results and can be utilized more efficiently in the design of dendritic water distribution systems.

• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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• 2012.05a
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• pp.471-471
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• 2012

도시유역에서 주로 침수피해가 발생하는 방류토구 인근의 저지대의 경우 유수지 및 빗물펌프장을 통하여 피해 발생을 방지할 수 있는 반면, 도심지 한복판에 이러한 상습 침수지역이 존재한다면 이에 대한 침수 방지 시설물의 설치에는 한계가 있다. 이러한 도심지 한복판의 침수위험지역의 경우 부지 확보의 어려움으로 인하여 유수지의 설치는 매우 제한적이며, 따라서 근래 대두되고 있는 것이 지하 저류공간의 건설 등이다. 그러나 본 연구에서는 이러한 지하 저류공간의 건설과 더불어 우수관망의 설계 자체를 침수피해 저감 측면에서 그 효과를 최대화하고자 하였다. 본 연구에서는 동일한 설계빈도하에 설계된 우수관망이라 하더라도 관망의 노선 선정에 따라서 초과강우사상에 따른 침수 발생량이 달라질 수 있다는 점에 주목하였다. 즉, 우수관망의 전체적인 구성에 있어서 설계빈도를 초과하는 강우사상에 대하여 그 부하량을 적정히 분배함으로써 관망의 전체적인 침수 발생 위험을 전반적으로 줄이는 것이다. 이를 통하여 확보되는 안전성은 지하 저류공간 등 각종 침수피해 저감 시설과 더불어 우수관망시스템의 침수피해 발생 위험을 전반적으로 줄일 수 있을 것이다. 본 연구에서는 이러한 목적하에 도시유역에서의 침수위험도 분석을 실시하였으며, 선행 연구를 통하여 제안된 우수관망의 신뢰도 산정 식을 토대로 목적함수를 아래의 식과 같이 구성하였다. $$Max.\;liability\;of\;Sewer\;Networks=1-\;{(1-N)^2+(1-V_i)^2\atop2}\;\cdots\cdots\cdots\;\;\;(1)$$ 여기서, $V_i$는 적용된 강우량당 유역의 전체 유출량 대비 월류발생량을 나타내며, $N_i$는 적용된 강우량당 해당 관망의 전체 지점 수 대비 월류 발생지점 수를 나타낸다. 이를 통하여 우수관망의 신뢰도를 최대화할 수 있는 최적설계 알고리즘을 개발하였으며, 실제 도시유역에 대한 적용을 통하여 최적 설계에 따른 신뢰도 향상 정도를 정량화하였다.

• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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• 2023.05a
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• pp.229-229
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• 2023

강화학습은 에이전트(agent)가 주어진 환경(environment)과의 상호작용을 통해서 상태(state)를 변화시켜가며 최대의 보상(reward)을 얻을 수 있도록 최적의 행동(action)을 학습하는 기계학습법을 의미한다. 최근 알파고와 같은 게임뿐만 아니라 자율주행 자동차, 로봇 제어 등 다양한 분야에서 널리 사용되고 있다. 상수도관망 분야의 경우에도 펌프 운영, 밸브 운영, 센서 최적 위치 선정 등 여러 문제에 적용되었으나, 설계에 강화학습을 적용한 연구는 없었다. 설계의 경우, 관망의 크기가 커짐에 따라 알고리즘의 탐색 공간의 크기가 증가하여 기존의 최적화 알고리즘을 이용하는 것에는 한계가 존재한다. 따라서 본 연구는 강화학습을 이용하여 상수도관망의 구성요소와 환경요인 간의 복잡한 상호작용을 고려하는 설계 방법론을 제안한다. 모델의 에이전트를 딥 강화학습(Deep Reinforcement Learning)으로 구성하여, 상태 및 행동 공간이 커 발생하는 고차원성 문제를 해결하였다. 또한, 해당 모델의 상태 및 보상으로 절점에서의 압력 및 수요량과 설계비용을 고려하여 적절한 수량과 수압의 용수 공급이 가능한 경제적인 관망을 설계하도록 하였다. 모델의 행동은 실제로 공학자가 설계하듯이 절점마다 하나씩 차례대로 다른 절점과의 연결 여부를 결정하는 것으로, 이를 통해 관망의 레이아웃(layout)과 관경을 결정한다. 본 연구에서 제안한 방법론을 규모가 큰 그리드 네트워크에 적용하여 모델을 검증하였으며, 고려해야 할 변수의 개수가 많음에도 불구하고 목적에 부합하는 관망을 설계할 수 있었다. 모델 학습과정 동안 에피소드의 평균 길이와 보상의 크기 등의 변화를 비교하여, 제안한 모델의 학습 능력을 평가 및 보완하였다. 향후 강화학습 모델을 통해 신뢰성(reliability) 또는 탄력성(resilience)과 같은 시스템의 성능까지 고려한 설계가 가능할 것으로 기대한다.

• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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• 2017.05a
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• pp.158-158
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• 2017

상수관망을 통한 용수 공급에서는 송수펌프, 배수지 등의 수리 시설물이 중요한 역할을 수행한다. 우리나라의 송 배수 방식은 송수펌프를 통해 고지대의 배수지에 물을 확보하고, 이를 자연유하 방식으로 공급하는 것이 일반적이며, 따라서 송 배수시스템의 운영이란 송수펌프의 가동과 그에 따른 배수지의 수위 현황을 관리하는 것을 의미한다. 이 때, 펌프의 가동을 위한 전력소모에 많은 비용이 발생되므로 효율적인 펌프 운영을 위한 최적화 연구의 필요성이 제기되었다. 기존 연구를 통해 송 배수시스템의 운영을 모의하고, 펌프 가동비용을 최소화 하는 실시간 최적 펌프운영 모형이 개발되었으나, 미리 결정된 펌프와 배수지를 바탕으로 송 배수시스템을 모의하기 때문에 계획 및 설계 단계에서 이를 활용할 수 없는 한계점이 존재하였다. 본 연구에서는 최적화 알고리즘 중 하나인 유전자 알고리즘(Genetic Algorithm, GA)을 사용하여, 실시간 펌프운영뿐만 아니라 송수펌프와 배수지의 효율적인 용량을 제시할 수 있는 최적화 모형을 개발하였다. 특히, 개발 모형은 펌프와 배수지의 설계/운영 시, 국내 설계기준, 시설물 비용, 시간별 전력단가 등을 제약조건으로 고려하여 현실적인 결과를 도출할 수 있도록 개발되었다. 본 연구는 실제 운영 중인 S시의 광역상수도 시스템을 바탕으로 개발 모형을 적용하였으며, 또한 송 배수시스템의 계획 및 관리에 활용할 수 있을 것으로 기대된다.

• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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• 1993.07a
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• pp.535-543
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• 1993

이 논문의 목적은 기존의 상수도 관망을 개선하는데 있어 어느 관을 교체 또는 재생할 것인가와 펌프용량을 얼마나 늘릴 것인가를 결정함으로써 관망내 각 급수지점에서의 요구유량및 수압을 만족시킴은 물론 그에 드는 비용을 최소화시키는 모델을 개발하는데 있다. 이 논문은 관교체 비용, 세관 및 재생 비용, 관보수 비용, 펌핑 비용, 펌프시설 확충비용 등의 다섯가지 비용들을 비교 검토함으로써 의사결정을 하게 된다. 제약조건식으로는 급수 조건식, 에너지 방정식, 수리학적 방정식, 결정 조건식, 한계 조건식, 정수 조건식 등이 있다. 이 모델을 수식화하면 정수혼합 비선형계획법 (mixed-integer nonlinear programming, MINLP) 문제가 된다. 이 문제를 풀기 위해 비선형해법의 GRG (generalized reduced gradient) 방법과 분기와 한계 (banch and bound) 기법을 통한 implicit enumeration 기법을 접목시키는 방법을 제안하였다.

• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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• 2017.05a
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• pp.309-309
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• 2017

EPANET은 U.S. EPA(U.S. Environmental Protection Agency, 미 환경청)에서 개발한 상수관망 시스템의 수리해석 모의 프로그램으로서, 다양한 상수관망의 설계 및 운영을 모의하기 위해 세계적으로 활발히 활용되고 있다. EPANET 프로그램은 사용자 친화적인 GUI(Graphic User Interface) 환경으로 개발되었으며, 직관적인 네트워크 요소와 폭 넓은 모의 옵션을 제공한다는 장점이 있다. 특히, 상수관망의 실무 및 연구 분야에서는 공학용 분석프로그램과 프로그래밍 언어의 활용이 활발해짐에 따라, 이를 EPANET 프로그램과 연계시킬 수 있는 EPANET Toolkit이 개발되면서 그 활용도는 계속해서 확장될 전망이다. 그러나 지속적인 보완에도 불구하고, 기존의 EPANET Toolkit에서 제공하고 있는 기능은 EPANET 프로그램을 전부 반영하지 못하고 있어 실용성 있는 프로그램의 개발이 제한되고 있는 실정이다. 기존 연구에서는 EPANET Toolkit의 미비한 기능에 대해, "프로그램 수행 - 결과 확인 - EPANET 네트워크 수정"을 반복 수행하여 문제를 해결하였으며, 따라서 복잡하고 세밀한 상수관망 모의 연구에 많은 제약이 존재하였다. 본 연구에서는 EPANET Toolkit의 내부를 수정, 보완하여 기존에 고려하지 못하였던 다양한 기능을 추가하여 관련 연구에 활용할 수 있도록 하였다. 구체적으로는 Pump Curve를 변경 및 입력하여 Pump 교체를 위한 최적 펌프용량을 결정하거나, Energy Pattern을 입력하여 손쉽게 전력비용을 산정하는 등의 기능이 개선되었다. 그밖에도 EPANET Toolkit의 활용성을 향상시키기 위한 다양한 함수들을 추가적으로 구성하였으며, 이는 펌프 용량 및 효율 곡선과 배수지 설계 등 상수관망 구성요소의 설계에도 폭 넓게 활용할 수 있을 것으로 기대된다.

• Journal of Korea Water Resources Association
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• v.51 no.12
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• pp.1171-1180
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• 2018

Korea's water transmission system is operated by the nonpressure flow method that flows from highlands to lowlands due to the nature of Korea with many mountainous areas. In order to store water in the highlands, the water pumps are installed and operated. However, In this process, a lot of electrical energy is consumed. therefore, it is necessary to minimize the energy consumption by optimizing the size and operation schedule of the water pumps. The optimal capacity and operation method of the water pump are affected by the size of the tank (distributing reservoir). Therefore, in order to economically design and operate the water transmission system, it is reasonable to consider both the construction cost of the water pump and the tank and the long-term operation cost of the water pump at the step of determining the scale of the initial facilities. In this study, the optimum design model was developed that can optimize both the optimal size of the water pump and the tank and the operation scheduling of the water pump by using the genetic algorithm (GA). The developed model was verified by applying it to the water transmission systems operated in Korea. It is expected that this study will help to estimate the optimal size of the water pump and the tank in the initial design of the water transmission system.

• Journal of Korea Water Resources Association
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• v.32 no.1
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• pp.71-81
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• 1999

The objective of this study is to develop a model which can design an optimal pipe network system of least cost while satisfying all the design constraints including hydraulic constraints using a genetic algorithm technique. Hydraulic constraints interfaced with the simulation program(KYPIPE) checked feasible solution region. Genetic algorithm(GA) technique is a relatively new optimization technique. The GA is known as a very powerful search and optimization technique especially when solving nonlinear programming problems. The model developed in this study selects optimal pipe diameters in the form of commercial discrete sizes using the pipe diameters and the pumping powers as decision variables. The model not only determines the optimal diameters and pumping powers of pipe network system but also satisfies the discharge and pressure requirements at demanding nodes. The model has been applied to an imaginary and an existing pipe network systems. One system is adopted from journal papers which has been used as an example network by many other researchers. Comparison of the results shows compatibility of the model developed in this study. The model is also applied to a system in Goyang city in order to check the model applicability to finding of optimal pumping powers. It has been found that the developed model can be successfully applied to optimal design of pipe network systems in a relatively simple manner.