목 차 >>> 1. 서 론
2. 하수관거 상태평가 기술 3. 지능형 상수관망 기술 4. 결론 및 향후 전망
1. 서 론
21세기 들어 경제발전, 인구증가, 도시화, 생활 양식 변화, 기후변화 등으로 인한 물수요 증가, 수질오염 및 물부족 현상 심화가 전망됨에 따라 안전하고 깨끗한 물의 안정적인 공급이 전 세계 의 관심사로 대두되고 있다. OECD 보고에 따르 면, 2050년에 세계 인구의 40% 이상인 39억명이 심각한 물부족을 겪는 지역에 거주할 것으로 전 망되며, 기초 위생설비인 하수도 미보급 인구는 약 14억명으로 추정하고 있다. 세계 물 포럼 (World Water Forum)에 따르면, 매년 500만명 이 상이 수인성 질병으로 사망하고 있다고 한다. 또 한 신흥 개발도상국의 급속한 산업화 및 상하수 도 인프라 부족, 선진국들의 시설 노후화 등으로 인한 수질오염 문제도 심화되고 있다.[5]
이와 같이 안전한 물의 지속가능한 공급과 삶 의 질 향상을 위한 물환경 보전에 대한 사회적 요 구 및 중요성이 증가함에 따라 물자원의 가치가 부각되는 가운데 물산업이 미래의 새로운 성장
동력으로 급부상하고 있다. 이에 미국 FORTUNE 지는 ‘물산업’을 20세기의 석유산업과 마찬가지 로 21세기의 최대 성장산업으로 선정하였으며, World Bank에서는 21세기 물산업이 수천조원 규 모의 산업을 형성할 것으로 예측하였다. 또한 산 업화가 가속화되고 있는 중국 및 중동, 아시아 등 신흥국가들을 중심으로 안정적인 물공급을 위해 신규투자가 확대될 것으로 예상됨에 따라 세계 물시장은 연평균 6.5% 성장이 전망되고 있다.[4]
특히 상하수도 분야는 2010년 기준 세계 물시 장 규모(5,075억 달러)의 78%를 차지하며 선진국 시설 노후화에 따른 교체와 후진국의 낮은 상하 수도 서비스 보급률이 성장동력이 되고 있다. 또 한 선진국을 위시하여 기후변화, 에너지 고갈 등 에 대응하고 보다 나은 삶의 질을 추구하는 ‘녹색 성장을 통한 지속가능한 발전’에 초점을 둔 새로 운 패러다임의 친환경 인프라 요구가 증가하고 있다. 이러한 미래사회 변동에 따라 상하수도 분 야에서도 기존의 전통적인 물공급과 수질오염 방 지 기능 이외의 고품질의 서비스, 물자원의 효율 김형준 (한국환경산업기술원), 한상종 (한국건설기술연구원), 이상엽 (고려대학교)
상하수도 시설의 효율적 관리를 위한
IT 융합 기술 개발 동향
적 분배, 에너지 자원 회수 등 다양한 유․무형의 기능적 역할 증대 필요성이 부각되고 있으며, 이 에 주요 선진국 및 기업들은 발빠르게 대응하고 있다.
우리나라의 경우 경제개발 5개년 계획 추진 등 을 통해 단기간에 제조업 중심의 산업화와 도시 화 현상이 가속됨에 따라 급수시설 부족 및 수질 오염 문제가 심화되면서 상하수도 시설 확충을 위해 막대한 투자가 이루어졌다. 그 결과 선진 OECD 국가와 대등한 수준의 상하수도 인프라 구축을 달성하였으며, 이제는 ‘양적 성장’에서
‘질적 성장’의 새로운 패러다임 전환 및 글로벌 경쟁력 강화의 필요성이 제기되고 있다. 또한 미 래사회에 대응하는 상하수도 시스템 및 운영기술 의 패러다임 변화에 부합하고 미래 유망시장으로 부상하고 있는 물산업을 육성하기 위한 일환으로 정부는 2009년 ‘고도 물처리’를 신성장 동력 분 야로 선정하였으며, 물산업 강국 구현의 비전 아 래 물산업 육성정책을 수립하여 일부 가시적인 성과도 있으나 전반적으로 아직 미미한 실정이 다.[2]
하지만, 우리나라의 강점중 하나인 IT 기반기 술의 접목을 통한 상하수도 시설의 운영관리 기 술 및 시스템이 다양한 분야에 시범적으로 적용 되고 있는바, 본 논문에서는 상하수도 시설과 IT 기반기술의 융합사례를 소개하고 향후 ‘질적 성 장’을 위한 ‘상하수도-IT 융합기술’의 발전방향에 대해서 알아본다.
2. 하수관거 상태평가 기술
하수관거는 국민의 보건위생을 위해서 중요한 역할을 수행하고 있는 국가 인프라 시설임에도 불구하고, 하수관거의 시공 및 유지관리를 수행 함에 있어서 이른바 "Out of sight Out of mind"
라는 명언처럼 관리의 중요성을 간과하고 있었던 것이 사실이다.
육안으로 관측할 수 없는 지하 매설관로는 그 특 수성으로 인하여 CCTV(Closed-Circuit Television) 조사로봇을 관로 내에 투입하여 촬영하는 방식으 로 조사를 수행해왔다. 종래의 CCTV 촬영 조사 방식은 1950년대 후반에 최초로 하수관 탐사에 적용되기 시작하여 현재까지도 하수관의 상태정 보를 파악할 수 있는 편리한 도구로써 지배적인 위치를 차지하고 있다. 그러나 90년대 중반부터 IT기술 및 다양한 Sensoring 기술발달을 바탕으 로 하여 하수관거 탐사기법의 새로운 대안들이 제시되기 시작하였으며, 2000년대 들어서부터는 그러한 다양한 하수관거 상태평가기술들이 개념 정립단계에서 벗어나 실용화단계로 접어들었다.
현 시대는 국가 인프라 시설을 사후적 유지관 리에서 예방적 유지관리로 관리하고자 하는 패러 다임의 전환시기로써 이른바 시설물의 노후화의 위험도를 미리 평가하여 생애주기비용을 최소화 하는 것을 그 목표로 하고 있다. 따라서 이러한 시대적인 요구사항에 대응하는 기술로써 신개념 하수관거 상태평가 기술을 활용하려는 움직임이 미국, 유럽 등 선진외국에서 부각되고 있으며, 이 러한 혁신적인 하수관거 상태평가 기술에는 SSET(Sewer Scanner and Evaluation Technology) 라고 명명되는 관로 내면탐사자료의 전개도면화 기술이 그 중심에 있다.
또한 GPR(Ground Penentrating radar), Sonar, Laser 등의 다양한 Sensor를 탑재한 조사로봇이 출현함으로써 기존에는 탐측할 수 없었던 하수관 내면의 가시영역 범위를 초월하여 관로 외면의 결함(공동)탐사, 대구경 하수관의 하수흐름영역 의 퇴적토 두께 측정, 상재하중으로 인한 연성관 의 변형률 측정 등이 수행가능하게 되었다.[1]
따라서 본 절에서는 다가오는 국내 하수관거
(a) 디지털 영상 취득 원리
(b) SSET 초창기 모델전경
(그림 1) SSET 초창기 모델개요 유지관리 시대의 적용을 위하여 기존 CCTV 조
사방법의 대체기술인 신개념 탐사기법의 기술동 향을 살펴보고자 한다.
2.1 SSET(Sewer Scanner and Evaluation Technology)기술
2.1.1 SSET 기술의 개발 배경
하수관거 탐사 시 기존방식이 아닌 관로 내부 를 전개하여 평면적으로 파악할 수 있도록 화상 을 처리하는 방식에 대한 아이디어는 1994년 일 본의 Toa Grout사 에서 최초로 고안한 것으로 알 려져 있다. 이후 일본의 지하매설물 탐측전문 회 사인 OYO-Japan는 활동무대를 미국으로 옮겼으 며, 미국 지사인 OYO-USA는 1997-1998년에 ASCE (미국 토목공학 학회), CERF (Civil Engineering Research Fund, 미국 토목공학 연구 재단), TTC (Trenchless Technology Center, 비굴 착공법 연구 센터)가 공동으로 후원하여 SSET (Sewer Scanner and Evaluation Technology)를 처 음 선보이게 되었다.
초창기의 SSET 기술은 관내면의 측면영상을 취득하기 위하여 광학렌즈의 영상 취득부를 회전 하면서 연속적인 디지털 이미지를 획득하는 방식 으로 시작되었으며 (그림 1)에서 자세히 나타내 었다.
초창기 모델의 현장테스트는 미국 13개 도시 의 하수관거에 총 연장 126,612ft에 걸쳐 수행되 었으며 SSET 기술의 향상을 위해 다양한 테스트 를 수행하였다.
제 2세대의 SSET 장비의 탄생은 광학 취득부 의 어안렌즈(Fish eye lens)를 개발하여 채택하게 됨에 따라 비로소 가능하게 되었다. 어안렌즈의 채택으로 하수관의 내부영상의 측면영역까지 가 시범위(현재의 어안렌즈화각은 현재 최대 185°
까지 발전되어 채택됨)가 확장되면서 기존의 영 상취득부를 회전하면서 취득하는 불편함과 어려 움이 해소되었다.
2세대 장비의 다른 특징은 일련의 LED광원을 도입하여 관측가능한 관경의 범위를 확대하였고 정밀한 2축 경사계를 탑재하였다는 것이다.
이로써 SSET 탐사장비는 일정한 속도로 주행 하면서 어안렌즈 최대 바깥측면의 영상의 1mm 정도의 띠를 취득하여 관저면을 절개하여 하나의 긴 직사각형 형태의 단위영상을 생성하고, 연속 적인 still image를 합성함으로써 관거 내부벽면을 전개도면화 할 수 있는 이른바 Digital scanning 기 술이 완성되었다((그림 2) 참조).
OYO-USA는 Blackhawk-PAS, Inc.라는 자회사 를 설립하였으며 SSET를 이용한 하수관망 탐측 기술을 본격적으로 전파 및 완성하기 위하여 2000년에는 유럽의 독일, 덴마크, 스웨덴 등에서
(a) 어안렌즈의 디지털 이미지 취득원리
(b) 디지털 연속이미지를 합성한 관거 전개도면 영상
<SSET 어안렌즈 부> <자주차 부>
(그림 2) SSET 업그레이드 모델 개요
(그림 3) SSET 기법의 결과보고서(DAI) 예 현장시연을 수행하였으며, 핀란드의 VTT 기술연
구소에 의뢰하여 DAI 라는 전용 분석 소프트웨 어(DAI)를 구축하게 되었다.
2.1.2 SSET 기술의 장점
하수관 탐사에 있어 SSET 기술은 관 내면의
단위조사구간 전체를 전개도면방식으로 결과가 도출되기 때문에 필요한 고객(관리자)이 가장 빠 르고 쉽게 전체의 관로상태정보를 파악할 수 있 는 기술이다. SSET 기술은 현장조사측면과 탐사 결과의 분석활용의 두 가지 측면에서 기존 CCTV 조사에 비해서 혁신적인 장점을 가지고 있다.
먼저 현장조사측면의 생산성을 분석해보면, SSET기술은 관로 내 일정한 속도로 자주차의 멈 춤없이 진행하여 전체 데이터를 취득하는 반면에 기존 CCTV조사는 관로내의 이상항목의 지점을 관측하기 위해서 "Stop and go" 방식으로 관로를 주행하게 된다. 따라서 기존 CCTV 방식은 관로 가 노후화되어 이상항목이 많을수록 조사시간이 지연되게 된다. SSET 방식은 Digital Image의 CPU의 처리속도에 좌우되므로 향후 광학기술과 IT기술이 발전함에 따라 업그레이드되면 지속적 으로 조사속도가 빨라질 것으로 판단된다. 현재 까지 개발된 SSET 기술의 생산성 속도는 기존 CCTV 조사의 생산성 속도보다 약 30% 정도 우 세한 것으로 보고되고 있다.
두 번째로 하수관 탐사결과의 질측면의 장점이 다. 기존 CCTV 방법을 하수관 조사의 “Inspection”
이라고 명명한다면 SSET 방법은 하수관 상태평 가의 “Measurement” 라고 칭할 수 있다. 따라서
주요 이상항목 판 정 내 용
A (심각) B(보통) C(경미)
관의 이음부 관경의 1/3 이상의 어긋남 관 두께 이상의 어긋남 틈새, 철근보임
관의 부식 철근노출 골재노출 표면박리
관의 침하(단차) 관경의 2/3 이상 관경의 1/2 정도 관경의 1/3 이하
관파손 및 크랙 함몰, 변형 파손, 철근노출 균열
연결관 돌출 본관 내경의 2/3 이상 본관 내경의 1/2 정도 본관 내경의 1/3 정도
토사 퇴적 관경의 1/2 이상 1/3 정도 1/4 이하
주) 하수관거정비사업의 효과분석을 위한 방안검토 연구 (서울시정개발연구원, 2003)
<표 1> 서울시 하수관거 이상항목 판정기준
(그림 4) 하수관거 SSET 기법의 결함자동탐색결과 예 취득된 정보의 질과 상태평가의 활용도 측면에서
보면 SSET 기술은 향후 유지관리 시대에 적절히 활용될 수 있는 혁신적인 장점이 있다.
기존의 하수관 CCTV 조사는 현장의 작업자의 판단에 의해 Pan and Tilt 기능으로 촬영하여 하 수관 이상항목을 Point 별로 조사결과보고서를 산출하는 것에 비하여, SSET 방식은 전체조사구 간의 스팬의 상태를 거시적으로 한번에 볼 수 있 으며 이상항목의 상태평가를 정량적으로 도출할 수가 있다.
무엇보다도 가장 중요한 SSET 기법의 장점은 국가의 GIS 시스템과 연계되어 상태정보의 DataBase가 구축될 수 있다는 점이다. 기존의 CCTV 조사결과 데이터는 사후적 관리차원에서 주로 통용되며 일회성 데이터가 될 가능성이 많 지만, SSET 방식의 조사결과는 위치정보를 가지 고 있는 Digital image 정보로써 조사결과를 하수 관거 GIS 전산망에 속성정보로써 upload 하게되 면 관리자는 향후 하수관거의 유지관리 모니터링 대상을 명확히 판단할 수 있으며 예방적 유지관 리 체계에 진입할 수 있다.
현재 국내 하수관거 이상항목에 대한 상태등급 은 서울시의 경우 <표 1>과 같이 A, B, C 등급으 로 구분하고 있는데 그 기준치는 아직 애매하게 분류되어 있어서 리스크 관리를 위해 적절하지
못한 실정이다. 또한 상태등급의 분류는 조사 결 과보고서 작성 시 작업자의 주관적인 판단으로 등급을 매기는 경우가 일반적이다.
영국의 WRc 와 미국의 NASSCO 등은 하수관 의 상태평가를 위하여 구체적인 결함코드를 배포 하였으며, 결함의 구체적인 위치 및 크기 등을 결 과보고서에서 제시토록 하고 있다. 향후 국내에 서도 구체적인 결함코드를 생성하고 유지관리에 적용하게 되면 SSET 기술은 균열크기 및 위치, 이음부 이완간격이나, 토사퇴적 높이 등의 결과 를 정량적으로 산출할 수 있게 된다.
또한 자동탐색(Auto Detecting)기법을 하수관 의 SSET 조사결과에 접목하려는 시도가 2000년
(그림 6) IBAK Panoramo 3D Optoscanner principle
(a) pneumatic tyres and lift up
(b) additional laser profiler
(C) 3D Optoscanner
lens and xenon flash
light
(그림 5) PANORAMO 3D Optical Scanner 대 초반부터 연구 진행되고 있으며 관 크랙위치
및 이음부, 가지관 연결부 등의 자동탐색기능 등 은 향후 분석보고서 산출시 작업속도를 향상시킬 것으로 기대된다.
2.2 최근 SSET 관련 장비의 국외 개발동향 및 국내의 현주소
2.2.1 PANORAMO 3D Optical Scanner PANORAMO 3D Optical Scanner(이하 Panoramo)는 하수관거 CCTV 탐사장비 부분에서 가장 오래된 선두주자인 독일의 IBAK사가 만든 제품으로써, 하수관거 전개도면화 시장이 가장 활성화된 미국에 자사인 RapidView사 (IBAK USA)를 설립하고 공격적인 마케팅을 선보이고 있다.
독일은 세계적으로 하수관거 탐사에 Multi- Sensoring 기술을 적용하려는 연구를 가장 먼저 시작하였으며 Sensoring의 다양한 원천기술이 확 보되어 있다. 1990년대 초중반부터 정부주도하에 연구 수행한 초창기 결과물인 KARO나 MAKRO 시스템은 Stereo Camera 기법, Ultrasonic Sensor, Laser Sensor 등의 멀티센서를 탑재한 시스템이 다.
2001년경에는 현재 활용 가능한 각종 Sensor 들을 총망라해서 탑재한 SAM(Sewer Access Module)이라는 거대한 시스템을 개발한바 있다.
이러한 기술력을 바탕으로 어안렌즈(Fish eye lens)를 통한 SSET 기술을 접목하여 제작한 멀티센 서 탐사장비가 바로 (그림 5)와 같은 PANORAMO 이다.
Panoramo 의 특장점은 자주차 전․후면에 동 시에 어안렌즈를 장착하여 (그림 6)과 같이 두 개 의 영상을 취득하여 Stereo Camera 기법을 통하 여 3차원의 영상 데이터를 산출할 수 있다는 것 이며, 이러한 데이터 생성은 마우스 클릭만으로 관로 내부를 가상현실 시뮬레이션을 통해서 3차 원적으로 해석할 수 있다.
본 Panoramo 장비의 사양은 조사속도가 69 ft/min(21m/min) 으로 제시되어 있는데 기존의
(그림 7) Laser Sensor를 이용한 관변형률 측정 예
(그림 8) Laser Sensor를 이용한 토사퇴적량 측정 예
Blackhawk-PAS, Inc.(2002년)의 초창기 모델의 사양은 1.0m/min 정도를 기록한 것에 비하여 비 약적인 발전을 이루었다.
또한 Laser Profiler를 탈착 가능하게 하였는데, Laser Sensor는 관로의 원둘레 형상을 취득할 수 있도록 하여 관 둘레의 변형률이나 토사 퇴적면 적 등을 산출 가능하게 하는 역할을 수행한다.[9]
2.2.2 DigiSewer
DigiSewer 시스템은 2000년에 핀란드의 Painehuuhtelu Oy PTV사와 핀란드 VTT 기술연 구소가 공동으로 하수관거 디지털 스캐닝 시스템 연구개발에 착수한 결과이다. 이는 OYO Japan의
어안렌즈를 통한 디지털 스캐닝 기술에 뿌리를 두고 있으며, VTT 기술연구소의 SSET 관련 선 행연구에 근간을 둔다.
Painehuuhtelu Oy PTV사는 장비의 현장 적용 성 측면을 수행하였고 VTT 기술연구소는 하수관 거의 결함부위의 해석 및 자동분석 보고서 소프 트웨어를 개발하는 측면을 맡았다.
개발된 DigiSewer 시스템을 구동시키는 자주 차 부분은 오스트리아의 iPEK사의 ROVVER 시 스템을 채택하였다.
DigiSewer 시스템은 하나의 자주차에 SSET 시 스템과 CCTV 시스템을 탈착식으로 동시에 사용 할 수 있다는 장점이 있다. DigiSewer 시스템의
(a) ROVVER® (CCTV용)
(b) DigiSewer (SSET용)
(그림 9) iPEK사의 ROVVER 시스템과 DigiSewer 시스템
(a) Laser and Sonar profiler
(b) illuminated,non-illuminated and captured views of laser line projection
(c) 3D relief of pipe color-coded to depict radial deviation
(그림 10) DigiSewer의 부가적인 탐사기능 주행속도는 Panoramo의 제시치와 마찬가지로 최
대 70ft/min(21m/min)으로 홍보되어 있으나, 자료 조사시 취득영상의 최대속도가 15m/min로도 명 기되어 있어서 약간의 차이가 있었다. 또한 Laser 및 Sonar Profiler를 쉽게 탈착 가능하도록 고안하 여 탐지영역을 확대하였다. Laser는 유체를 투과 하지 못하므로 관로의 유수단면 윗부분을 탐지할 수 있으며, Sonar는 유체를 투과할 수 있으므로 관로의 흐름영역도 탐지할 수 있다. 이 두 가지 profiler는 각각 사용할 수도 있고, 동시에 사용할 수도 있다.
DigiSewer 시스템의 중요한 장점은 조사결과 데이터를 핀란드 VTT 기술연구소가 개발한 진보 된 데이터 분석 소프트웨어에서 다시 해석되고 분석될 수 있다는 것이다.
분석 소프트웨어의 기능은 관내면의 균열과, 관 이음부, 가지관 연결부 등을 자동으로 검출되 도록 되어있으며, 본 검출결과는 가지관의 직경
과 균열의 크기를 1mm 단위까지 측정하도록 하 였다. 또한 관내 유하하는 하수의 관경에 대한 수 심비를 %로 산출되도록 기능을 갖추었다.
본 DigiSewer 시스템은 유럽인의 특성에 맞게 개발된 것으로서 그 중요한 활용도는 2003년부터 의무화되는 유럽의 공통기준인 하수관 결함코드 분류에 따라 실제의 결함 및 손실정도가 자동적 으로 분류되어 기록된다는 것이다.
미국에서는 DigiSewer 시스템을 Envirosight사 에서 판매되고 있으며 특징으로는 가상의 Pan/tilt 기능, 관경사 그래핑, Joint/Tap 자동인식, 미국 NASSCO의 PACP (Pipeline Assessment and Certification Program)의 결함분류에 따른 Color- coding 탐색기능을 통한 빠른 분석기능, 미국의 사용실적이 많은 하수관 탐사용 소프트웨어
(a) 결함분석소프트웨어 분석 시작
(b) 결함분석소프트웨어 분석 중
(c) 결함분석소프트웨어 분석 완료
(d) 결함분석 조사보고서
(그림 11) 핀란드 VTT 기술연구소의 DigiSewer 조사 분석 소프트웨어
WinCan과의 연계 호환성을 가졌다는 것을 특장 점으로 꼽고 있다.[10]
2.2.2 DPIM system(국내기술)
국내에서는 2005년도부터 3년간 동안 진행된 건설교통부 R/D연구사업의 연구비 지원으로 DPIM(Digital Pipe Image Module) 시스템이라는 하수관거 탐사기술을 개발하였으며 현재 실용화 단계에 이르렀다. 본 연구개발은 하수관거 전개 도면화 기술에 대한 독창적인 아이디어를 통하여 외국의 기술종속을 벗어나 신개념의 요소기술을 개발한 것에 그 의의가 있다. 외국의 SSET 기술
은 어안렌즈를 통하여 관 측면 이미지 데이터를 취득하는 것이 핵심 요소기술이었다. 그러나 DPIM 시스템은 관로 내면의 전방․측방 영상을 동시에 취득할 수 있는 광학렌즈(국내특허 제 0657226호, 국제 특허출원 PCT-KR2006-002110) 를 개발하였다. 현재 본 기술은 “관로 내면 전방 측면 동시 영상출력기술”이라는 명칭으로 NET 신기술로 2007년 인증되었으며 (그림 12)에서 DPIM 시스템의 개요를 나타내었다.
먼저 DPIM 시스템을 하드웨어 측면에서 검토 해보면, 현재 적정 영상취득 평균 주행속도는 6m/min 정도에서 최적화 되어 있으며 외국의 최
전방영상 측면영상
전방영상 측면영상
(a) 전․측시 동시취득렌즈의 원리
(b) DPIM 장비 전경
(그림 12) DPIM 시스템의 개요
(그림 13) DPIM 시스템의 GPR 장비 탑재 후 전경 신 장비보다는 탐사속도측면에서는 아직 느린 결
과를 나타낸다. 이러한 보완점은 향후 CPU 교체 업그레이드 및 소프트웨어 데이터 처리방식의 효 율이 향상되면 개선될 것으로 판단된다.
본 DPIM 시스템의 단위측면영상취득두께는 관경 300mm에 6cm 정도를 취득하여 합성하는 시스템으로써 트래픽없이 실시간 운전중에 데이 터 취득 및 합성을 수행하여 하수관 내면을 스캔 한 데이터가 곧바로 출력되도록 제작되어 있는 상태이다.
또한 본 DPIM 장비의 사용 및 유지관리 측면 에서 자주차 구동부와 영상취득부 및 케이블 연 결부를 탈착식으로 개발하여 현장 적용시 부품의 교체가 용이하도록 하였다. 또한 하나의 조사차 량에 아날로그 CCTV 방식과 디지털 SSET 방식
의 조사를 겸용으로 사용하도록 편리성을 증대하 도록 하였다. 본 DPIM 장비는 관내외면을 동시 에 탐사 및 분석을 수행하는 것이 향후의 과제이 며, 관로외벽의 지반 공동조사 수행을 위한 GPR 장비를 탑재한 모습을 (그림 13)에서 나타내었다.
두 번째 DPIM 운영을 위한 소프트웨어는 사용 자의 편리성에 입각하여 외업용 소프트웨어와 내
소프트웨어명 기능 및 범위 외업용
(DPIG)
현장에서 데이터를 얻고 DPIM 콘트롤을 위한 제 어용 프로그램
내업용 (DPIM)
배수구역, 분구, 프로젝트별 스캔 데이터 관리를 위한 프로젝트 관리 프로그램
외업용 소프트웨어와 연동하여 작업공정을 관리함 동시에 여러 단위의 스캔 데이터를 이용한 보고서 를 집계하고 자동 출력
영상데이터 분석 (DIA)
현장에서 얻어진 영상을 보정하고 상태를 평가하 고 스캔단위별 보고서를 자동 작성함
<표 2> DPIM 운영을 위한 프로그램의 구성
업용 소프트웨어로 나뉘어 개발되었다. 내업용소 프트웨어는 또한 DIA (Digital Image Analyzer)와 네트워크레벨의 자산관리를 위한 DB 작업 공정 관리 및 집계 보고서 작성 프로그램 모듈 DPIM (Digital pipe image Management)로 나뉘어진다.
DIA 프로그램은 현장조사시 수행한 하수관 전 개도면결과를 사용자 기반으로 이상항목을 편집 가능 하도록 되어 있다. 또한 각 이상항목에 대한 집계분석과 누가거리 및 전방영상과 측면 확대영 상을 제공하도록 하여 국내 실정에 맞게 하수관 거 조사결과보고서를 한글(HWP)로 자동 출력되 도록 개발되어 있다.
3. 지능형 상수관망 기술
상수관망 분야에 있어서도 IT 기술의 접목으로 무단수 공급체계 구축, 수량/수질/에너지 최적화 기술, 관망시스템 최적운영 등의 선진기술의 도 입이 확대되고 있는 추세이며, 국내의 뛰어난 IT 기술을 정수플랜트 시스템 운영 혹은 관망 통합 관리 시스템과 결합할 경우 매우 큰 시너지를 얻 게 될 가능성이 높다.
정부는 2006년 2월 부처 공동으로, ‘물산업 육 성방안’을 마련한데 이어 2007년 6월 ‘물산업 육 성 5개년 추진계획’을 통하여 물산업 기반을 구 축하고 국가적 차원에서 해외진출 지원계획을 수
립하여 해외 경쟁력을 높이기 위하여 노력하고 있다. 이러한 상황에 맞추어 효율적인 정비(누수 방지/세척)을 위한 기술력의 필요성이 증대되어 가고 있으며, 신설관로 설치에 따른 지능적인 모 니터링 시스템 등 상수관망 분야에 대한 기술개 발이 이루어지고 있다.
3.1 국내외 기술개발 동향
3.1.1 해외 기술개발 동향
국외의 상수관망에 주요이슈를 분석하면 상수 도 역사가 오래된 미국과 유럽에서는 최근 ageing pipe의 개량 또는 교체에 관한 사회적 요구에 의 해 대구경 및 비굴착 관망 구축기술(예, 영국 Water-Ring Main), 일본의 내진관망구축기술, IT 산업과의 융합 기술을 도입한 Smart Water Network기술(IBM), Mega-City의 통합 수운영시 스템 구축기술 등이 다국적 물기업인 베올리아, 수에즈와 후발 IT에서 출발한 IBM, GE 2등의 기 업연구소를 중심으로 새롭게 신기술을 관련시장 에 선보이고 있다.
한편 연구그룹으로는 영국의 WRc, 미국의 AWWARF, 일본의 JWRC를 중심으로 세계적인 일류 관망관리기술개발을 위해 많은 투자가 이루 어지고 있으며, 최근 이들 연구그룹 등은 관망시 스템의 수질관리, 관망진단/평가, 비상시 운영기 술, 자산관리시스템, 통합운영시스템 개발을 위 한 요소기술부분에 연구중심이 이동하고 있다.
특히 최근에는 관망통합운영에 핵심요소기술 에 많은 회사가 프로그램개발에 매진하여 GE의 상수관망의 통합운영프로그램인 "Small World", 미국 Bentley사에서 개발한 상수관망해석 및 운 영관리 프로그램인 WaterGem & WaterCAD는 HAMMER(수충격 해석), Bentley Water(자산관 리), Projet Wise(DB관리)의 3개 프로그램과 연계
(그림 14) 영국 Water Ring Main 사업 개념도
가 가능토록 개발되어 있으며 북미와 남미의 많 은 국가에서 상수관망의 통합관리에 활용되고 있 다.
한편 유럽지역의 덴마크 7-Technologies사의 AQUIS Water Management Software는 상수관망 통합관리 시스템으로 온라인, 오프라인, 실시간 의 3가지 형태의 입력자료를 이용하여 상수관망 운영의 개선을 위한 의사결정과 실시간 누수탐지 등의 기능을 갖고 있으며, 전 세계 1,500개 도시 에서 1억 이상의 인구를 대상으로 운영중에 있다.
또한 최근에는 Smart Sensor, Smart meter와 같 이 Smart Technology를 활용하여 다양한 장치와 공법이 개발되고 있음. 세계적인 대표 기술로는 미국 Geospatial Corporation의 Smart ProbeTM Technology, 미국의 T.D. Williamson, Inc. XYZ Mapping와 같이 관망 모니터링과 유지관리를 위 한 맵핑 기술, 수중청음과 내시진단이 가능한 영 국의 Sahara와 유체의 이동방향으로 관내를 굴려 서 이동시킬 수 있는 미국의 Smart-Ball을 이용한
누수탐사 기술 등이 신기술로 세계 물시장에 보 급되고 있다.
그리고, 해외의 무단수 개념의 탄력적 상수관 망 구축 및 관리시스템 분야에서는, 대표적으로 는 영국 런던시의 Water Ring Main 구축사업, 일 본 고베시의 대심도 송수관망네트워크구축사업, 미국의 시카고 및 뉴욕의 대구경/대심도 송수관 망네트워크 사업 등 국내에서는 경험이 전무한 대규모 관망사업이 관련 비굴착 신기술을 도입하 여 수행된 바 있다.
3.1.2 국내 기술개발 동향
국내의 상수관망에 주요이슈를 살펴보면 무단 수 공급체계 구축을 통한 상수도 서비스 수준의 선진화, 수량/수질/에너지 최적화기술 개발을 통 한 과학적인 관망시스템 최적운영기술의 확보, 비파괴/비굴착 진단기술과 스마트 센서/파이프 등을 활용한 Smart Block System 구축, IT와 자 산관리기술의 도입을 통한 관망통합관리기술의
사업체명 주요 내용 서울특별시
상수도사업본부
․ 수운영센터 시스템 구축 추진(’09.03)
․ 생산관리시스템(수요예측 프로그램 포함), 공급관리시스템 (관망해석, 블록관리), 유량 및 수질감시 등
․ Training Simulation Program (블록관리, 수요예측, 생산계획 등) 대구광역시
상수도사업본부
․ 중블록 94(231), 가압장 44(45), 배수지 46(46) 원격감시 중
․ 중블록 야간최소유량 감시 등 유량정보통합관리시스템구축(‘08.12월)
․ 수운영시스템 구축 추진 (‘10년 완성예정) 부산광역시
상수도사업본부
․ 상수도 종합 수운영시스템 구축('06.9월)․운영 중
․ 통신 Network를 통한 데이터 수집 및 원격관리
․ Aquis 기반의 수요예측, 관망해석 및 감시시스템 탑재 대전광역시
상수도사업본부 ․ 도시정보시스템(UIS) 기반의 상수도 시설물 및 관망 정보관리
․ 수도시설물 및 중블록의 유량 및 수압을 감시하나, 별도의 운영 application은 존재하지 않음 한국수자원공사 ․ 통합상수관망운영관리시스템(water-NET) 구축 추진 (‘10.6월)
․ 지방상수도 관망정비 계획부터 운영관리까지 진단, 블록구축, 관망 정비, 누수관리 등을 포괄
․ 소블록 유입점까지의 실시간 수량-수질-에너지 운영관리기술 상수관망 최적관리
시스템 (OASIS+)
․ 수자원의 지속적확보 기술개발 사업단의 누수저감 및 방지기술 적용
․ 과제의 최종성과물로 상수관망 통합관리를 위한 상수관망 최적관리 시스템 개발완료(‘11.3월)
․ 상수관망 통합관리시스템을 위한 정보시스템, 평가시스템, 운영시스템, 감시 시스템의 하위시스템으로 구성
<표 3> 상수관망 통합관리 시스템 현황
구현 등을 통해 세계 물산업 일류 기술국을 목표 로 기술개발이 이루어지고 있다.
상수관망분야에 관련된 요소기술에 대한 기술 수준은, 상대적 세계수준을 100으로 할 때, 관망 구축기술 80%, 스마트 센서/미터 70%, 지능형 파 이프 85%, GIS융합기술 75%, 관망진단기술 85%, 수량관리기술 80%, 수질관리기술 75%, 에너지 관리기술 75%, IT융합 통합운영시스템 60%로 분석되었다(2010, 수자원의 지속적 확보기술개발 사업단).
특광역시를 중심으로 GIS DB와 관망해석 기 반의 상수관망 통합관리 시스템이 최근 활발히 구축되고 있으며, 누수감시를 위한 기능을 분석 한 결과 모든 시스템이 소블록 유입유량의 단순 감시와 야간최소유량 분석의 의하여 월별, 또는 일별의 누수발생을 감시할 수 있는 성능으로 구 축되어 있다. 그러나 현재 구축중인 시스템은 모 니터링만을 위한 것으로 모니터링 결과의 분석기 능이나 관망진단 등의 기술이 포함되지 않아 선 진국 시스템과는 많은 차이를 나타내고 있다.
현재 구축 또는 개발된 관련 사항을 <표 3>에
나타내었다.
3.2 기술활용 사례
3.2.1 Bentley WaterGEMS
Bentley의 WaterGEMS 솔루션은 동사에서 1983년 개발 출시한 관망해석 패키지인 KYPIPE 를 기반으로 하는 상수관망 운영/관리 시스템으 로 다음의 단위 시스템으로 구성되어 있다.
정상류 해석을 수행하는 WaterGEMS와 WaterCAD, 부정류 해석을 수행하는 HAMMER 는 ArcGIS나 AutoCAD 등과 같은 동일한 표 준 환경에서 동작하도록 구성되어 있으며, SCADAConnect를 통해 SCADA 시스템의 실시 간 또는 장기 이력 데이터와 On-Line으로 연동됨 과 동시에 ProjectWise를 통해 상수관망 통합 DB 와 자유롭게 인터페이스 될 수 있도록 하고 있다.
위 솔루션은 관망해석이나 자산관리와 같은 단 위 기능들을 통일된 GIS 기반에서 SCADA나 DB 와 같은 공통 인프라를 활용할 수 있도록 구성한 지능형 플랫폼을 제공하고 있다.[7]
(그림 15) WaterCAD & WaterGEMs 기능 구성
구분 세부기능 비고
AQUIS
상수관망 해석 및 의사결정 솔루션 누수 감소 10%
이상 운영비 2~5% ROI
18개월
․ Leakage Management
․ Water Quality
․ Pressure Optimization
IGSS
실시간 감시제어(SCADA) 솔루션
-
․ Supervise and Control
․ Alarms and Event and Report
․ Security and Tracking
․ Web Access
․ External Interfaces
<표 4> AQUIS 및 IGSS 세부 기능
(그림 16) AQUIS 플랫폼 구조도 3.2.2 7-Technology AQUIS
덴마크의 7-Technology사는 상수관망 운영/관 리를 위해 동일한 플랫폼에서 연계 운영이 될 수 있는 다음의 단위 시스템을 제공하고 있다.
AQUIS는 기본적인 관망해석 기능 이외에도 누수관리, 수질관리, 압력 최적화 등을 위해 IGSS 의 인프라로 활용하여 SCADA 데이터를 On-Line 으로 적용할 수 있도록 플랫폼을 제공하고 있 다.[6]
3.2.3 수자원공사 Water-Net
수자원공사의 통합 상수관망 운영관리 솔루션 인 Water-Net은 Eco-Star 프로젝트를 통해 개발 된 관망 진단 및 의사결정을 지원하는 Dr.Pipe와 상수관망에 대한 다양한 운영을 지원하기 위해 수공 자체에서 개발한 Net.Operation을 통합하는 시스템으로 상수관망의 운영 및 의사결정부터 진 단, 유지보수에 이르기까지 상수관망에 대한 전 부분의 관리가 가능한 솔루션이다.
그러나, Water-Net은 각 단위 시스템간 순차적 인 개발이 진행되었기 때문에 동일한 프레임워크
구분 세부기능 비고
AQUASOL-WAD 수용가의 일별/시간별 수요량 예측 솔루션
AQUASOL-WAP 취송수량 산정 및 펌프 최적운영 솔루션
AQUASOL-PIC On/Off-Line 관망해석 솔루션
AQUASOL-WAM 관망 전체 계통에 대한 통합 감시제어 솔루션
AQUASOL-FIM 관망과 관련된 각종 시설물 관리 솔루션
Host Computer 현장 데이터 수집 및 통합 데이터베이스 솔루션
P3000 DCS 관망 시설물 데이터 실시간 감시/제어 시스템
<표 5> AQUASOL Series 세부기능(상수관망 분야) (그림 17) Water-Net 기능 구조도
를 기반으로 개발된 표준화된 시스템이 아니며, 다양한 데이터 확보를 위해 i-Water(표준 수준영 시스템), Water-INFOS(지방상수도 통합정보시스 템), WIIS(수도통합정보시스템)와 같은 타 시스 템의 데이터베이스와 연계를 하는 등 상수관망 관리를 위한 전용 DB를 갖추고 있는 않다.
3.2.4 LS산전 AQUASOL Series
LS산전의 상수처리 최적관리 솔루션인 AQUASOL Series는 상수관망을 포함하여 취수 장, 정수장, 가압장, 배수지 등의 각 단위 사업장 을 통합 관리하는 상수 분야 통합 관리 솔루션이
며, 상수관망 분야와 관련된 단위 시스템을 <표 5>에 나타내었다.
AQUASOL은 P3000 DCS와 AQUASOL- WAM을 통해 각 지역별 및 전체 관망에 대한 실 시간 감시제어를 수행하며, Host Computer에 구 축된 통합 DB를 기반으로 다양한 응용 시스템이 동작하는 구성이다.
위 솔루션은 수요예측, 관망해석, 시설물관리 등의 단위 시스템들이 통일된 실시간 감시제어시 스템과, 통합 DB와 같은 공통 인프라를 활용할 수 있도록 구성한 지능형 플랫폼을 제공하고 있 다. 그러나, AQUASOL은 상수처리 전 분야에 대
(그림 18) AQUASOL Series 구성도
한 시스템으로써 취․송수 계통에 적합하도록 개 발된 제품이기 때문에 급․배수 계통에 최적화된 솔루션으로 보기 어렵고, 시스템의 운영 효율성 을 위해 필수적이라고 할 수 있는 GIS가 도입되 어 있지 않아서 관리 및 유지보수의 어려움을 야 기하고 있다.
4. 결론 및 향후 전망
상하수도시설은 그 특성상 넓게 분포되어 있으 며, 매설 후에는 육안으로 식별이 어려운 특징을 가지고 있어 관리의 어려움이 있다. 하지만, 다양 한 IT 기술의 발전과 함께 관리 체계의 개선을 이 루어내고 있다. 본 논문에서는 육안으로 식별하 기 어려운 관거를 CCTV를 이용하여 상태평가 하는 기술과 IT 기술을 이용한 통합운영관리 하 는 기술에 대해서 살펴보았다.
또한, 현재까지 설치되고 운영되고 있는 시설 들이 지하에 매설이 되어 관리가 어려운 점 등으
로 인하여 자산평가가 정량적으로 이루어지지 않 아 자산으로서의 가치를 결정하기에 어려움이 있 다. 하지만, 향후 통합운영관리 시스템의 표준화 를 이루고 CCTV촬영 기록, GPS 정보 등에 통합 관리체계를 구축하여 자산으로서의 가치를 정량 화 할 경우 보다 효율적인 관리를 통하여 선진 상 하수도 시스템 구축을 이룩할 수 있을 것으로 기 대된다.
그리고, 지하매설물에 대한 정보를 증강현실로 구축하고, 클라우드 컴퓨팅 기법을 적용한 데이 터 관리 체계를 구축함으로써, 지상에서도 지하 매설물의 상태를 쉽게 파악할 수 있는 시스템으 로 발전시켜나가야 할 것이다.
참 고 문 헌
[ 1 ] 건설교통부, “멀티센서를 이용한 지하매설관로 상태평가 및 관리시스템 개발”, 2008년.
[ 2 ] 한국환경정․책평가연구원, “미래성장동력 확보 를 위한 상하수도 선진화 방안”, 2012년.
[ 3 ] 황환국, 채명진, 김원대, “디지털 영상 전개기법 에 의한 하수관 상태평가 시스템”, 대한환경공 학회지, Vol.30 No.1, pp.21~28, 2008년.
[ 4 ] Global Water Intelligence, “Global Water Market 2011”, 2010년.
[ 5 ] OECD, " Environmental Outlook to 2050:
Water chapter", 2011년.
[ 6 ] http://www.7technology.com/7Tech/
[ 7 ] http://www.bentley.com/ko-KR/Products /WaterGEMS/
[ 8 ] http://www.envirosight.com [ 9 ] http://www.iBAK.de.
[10] http://www.ipek.at
[11] http://www.painehuuhteluptv.fi [12] http://www.ra.pidview.com
저 자 약 력
김 형 준
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이메일 : hyungjoonk@keiti.re.kr
∙ 2005년 중앙대학교 토목공학과(학사)
∙ 2007년 중앙대학교 토목환경공학과(석사)
∙ 2011년 중앙대학교 토목환경공학과(박사)
∙ 2012년 중앙대학교 사회기반시스템공학부 연구교수
∙ 2012년~현재 한국환경산업기술원 전문위원
∙ 관심분야 : 통합운영관리, 이미지인식, 모바일 멀티미디 어, 모바일 앱
한 상 종
․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․
이메일 : sjhan@kict.re.kr
∙ 1999년 전북대학교 토목공학과(학사)
∙ 2001년 전북대학교 토목공학과(석사)
∙ 2009년 연세대학교 토목환경공학과(박사수료)
∙ 2002년~현재 한국건설기술연구원 환경연구실 연구원
∙ 관심분야 : 하수도 자산관리, 하수관거 모델링, 하수관 거 유지관리기술, 리스크 분석
이 상 엽
․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․․
이메일: sangyoup_lee@korea.ac.kr
∙ 1999년 고려대학교 환경공학과(학사)
∙ 2001년 GIST 환경공학과(석사)
∙ 2004년 GIST 환경공학과(박사)
∙ 2004년~2006년 Research Fellow, Yale University
∙ 2006년~2008년 청주대학교 환경조경토목공학부 전 임강사
∙ 2008년~현재 고려대학교 환경정책기술연구소 교수
∙ 2011년~현재 GBEST 지능형상수관망총괄단 사무국장
∙ 관심분야 : 고도정수처리, 멤브레인수처리, 상수관망
