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I. 연구과제명
○ (세부5)과제명 : 스마트 미터 및 센서 네트워크 기반 상수관망 운영관리 최적화
II. 연구개발의 목적 및 필요성
최근 상수관로의 운영 및 유지관리 고도화를 목적으로 IT를 기반으로 하는 스마트 상수도에 대한 관심이 커지고 있으며, 실시간 감시를 통한 상수관로의 운영 및 관리의 최적화를 위하여 감시시스템(Hardware)과 운영관리기법(Software) 개발을 위한 기술적 노력이 필요한 실정이다. 우리나라 상수도분야 중에서 특히 관로분야는 저비용 고효율 상수도 시스템을 구축하고자 수량의 안정적 공급, 수질의 안전성 확보, 수압의 균등성 확보 및 구조적 안전성 확보 등의 효율적이며 경제적인 유지관리가 가능한 상수도시스템의 기술개발이 부족한 실정이라 할 수 있다. 이를 달성하기 위해서는 감시 및 센서기술, 정량화 기술과 최적의 기술들을 융합할 수 있는 기술적 접근이 필요하다.
따라서 본 연구에서는 스마트미터 및 다항목 수질측정 장비를 개발하여 취득된 데이터를 이용하여 수돗물 사용량 분석 및 제어, 누수분석, 수질감시 및 제어를 하여 상수도 사업자에게는 상수관망을 보다 효율적으로 운영관리 할 수 있는 Tool을 제공하며, 사용자에게는 수돗물과 관련된 유용한 정보를 제공함으로써 생활에 편의를 제공하고 절수 등을 통하여 경제적인 이익을 도모할 수 있도록 하는데 그 목적이 있다.
III. 연구개발의 내용 및 범위
본 연구는 상수관망 운영관리 고도화를 위하여 스마트 미터 및 네트워크 센서를 개발하여 스마트 상수관망시스템을 구축하고 실시간 감시 및 운영관리 통합시스템 개발을 목적으로 하며, 연차별 세부 연구개발 내용 및 범위는 다음과 같다.
(1) 1차년도
○ 실시간 관망 감시 핵심기술 조사 분석
○ 스마트 미터 및 부속장치 요소기술 개발
○ 관망 수질계측 센서 개발 및 국산화 설계
○ 상수관망 실시간 운영관리 시스템 설계
(2) 2차년도
○ 관망 실시간 감시 및 분석 알고리즘 개발
○ 스마트 미터 및 부속장치 시작품 제작
○ 상수관망 전용 다항목 수질계측 장치 및 데이터 전송시스템 시작품 제작
○ 실시간 운영관리 시스템 지능화 방안 수립
(3) 3차년도
○ 실시간 관망 감시 및 분석 기법 최적화
○ 스마트 미터 및 부속장치 기능 확장
○ 상수관망 전용 다항목 수질계측 장치 및 데이터 전송기능 고도화
○ 실시간 운영관리시스템 지능화 모델 최적화 기술개발
(4) 4차년도
○ 실시간 관망 감시시스템 현장적용 및 개선
○ 스마트 미터링 시스템 현장적용 및 개선
○ 다항목 수질계측시스템 현장적용 및 개선
○ 실시간 관망 운영관리시스템 현장적용 및 개선
(5) 5차년도
○ 중블록 테스트베드 운영성과 극대화
○ 스마트미터 및 센서 시스템 상용화 전략수립
○ 수용가 기반 상수관망 운영 및 서비스 시스템 사업화 전략수립
IV. 연구개발 결과
본 연구에서는 상수관망 운영관리 고도화를 위한 스마트 미터, 수질계측 센서, 관망 운영 요소기술 등을 개발하여 통합화된 실시간 상수관망 감시 및 운영시스템 개발을 추진하였다.
먼저 스마트 미터링 시스템을 개발하였다. 스마트 미터링 시스템은 고정밀 수도미터, LC센서, 송신장치, 중계장치, 데이터 수집장치, 서버 및 운영시스템으로 구성하였다. 고정밀 수도미터의 경우에는 기존의 수도미터보다 정밀도가 높은 100/1.6배수로 개발하였으며, 계수부는 LC센서를 이용하여 아날로그 계량기와 디지털 계량기의 장점을 극대화되도록 하였다. 이와 같이 검침된 데이터는 송신장치, 중계장치, 데이터 수집장치에 의해서 중앙서버로 전송되고, 수용가 기반 스마트미터 운영관리시스템을 개발하여 검침데이터 데이터베이스를 기반의 모바일 앱과 웹을 활용한 사용자 편의 서비스를 제공할 수 있도록 하였다.
둘째로, 상수관망의 수질계측에 사용되는 다항목 수질계측기를 개발하였다. 다항목 계측기중 상수관망의 수질계측에서 주요인자가 되는 탁도 및 잔류염소 센서는 국산화 하였다. 그리고 다항목 수질계측기의 요소기술을 활용하여 유수율 제고사업 등 상수도 관망 유지관리 사업에 활용할 수 있는 수도사업자용 초소형 멀티센서와 수돗물 소비자에게 수질 및 수압 정보를 제공할 수 있는 수도꼭지 탑재형 다기능 센서링 시스템을 개발하였다.
셋째로, 상수관망 운영관리 요소기술의 확보를 위하여 칼만필터 및 주성분 분석에 의한 파열누수의 예측 알고리즘을 개발하였다. 또한 누수의 위치정보 파악에 활용할 수 있도록 부정류 기반의 동역학적 수리해석 모형을 개발하였다. 여기에 더하여 용수공급시스템 상에서 생성 및 소멸되는 물의 에너지를 관망구성 요소에 따라 분류할 수 있는 상수관망 에너지 평가지표를 제시하였다.
넷째, 대수용가 기반 상수관망 수압 및 수질 감시/제어 시스템을 실제 대수용가에 적용하여 수량 및 수질 모두 만족할 수 있는 안정적인 용수 공급 방안을 도출하였다.
마지막으로, 파주지방상수도 테스트베드를 구축을 통해 본 연구에서 개발된 스마트미터링 시스템, 다항목 수질계측기, 초소형멀티센서, 수용가 기반 실시간 운영관리시스템의 현장 적용성 및 GBEST 통합시스템의 연계성을 평가하였다.
V. 연구개발결과의 활용계획(기대효과)
본 연구에서 개발된 스마트미터링 시스템의 경우에는 픽업코일 장착형 아날로그 수도미터의 보급/판매와 센서 및 통신모듈 판매의 2단계 사업화 전략을 수립하여 스마트미터링 시스템 사업화를 추진할 예정이며, 다항목수질계측기의 경우에는 자동드레인 시스템과 연계하고, 초소형 멀티센서의 경우에는 음수대 등 IoT시장과 연계하여 사업화를 진행할 계획임. 또한 K-water의 국내 위수탁 지자체 및 지방상수도 사업장, 해외사업 지역을 대상으로 본 연구에서 개발된 기술을 사업화할 예정이다.
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