인프라 시설의 노후화로 인한 피해는 인간의 생활과 직결되어 있기 때문에 효율적이고 체계적인 유지관리가 필요하다고 할 수 있다. 우리나라는 경제 발전과 더불어 다량의 상수관로가 한 번에 매설되었으며 이로 인하여 상수도의 보급이 활발히 이루어졌으나, 유지관리 측면에서 보았을 때 현 시점에서는 30년이 초과된 노후 상수관로의 물량이 급증하고 있는 실정이다.
한편, 상수관로는 강한 유기적 연결성을 지니기 때문에 한 지점에서 독립적으로 발생한 파손은 수압 및 유량이 변동됨에 따라 인접 관로와 수용가에 종속적인 파손 등과 같은 사고를 야기할 수 있다. 이러한 점을 반영하여 유지관리 수행 시 단일 관로를 기반으로 한 선적인 대응이 아닌 블록 단위의 면적인 대응이 필요하다고 할 수 있다.
하지만 기존의 개량계획 수립 방법론은 개별 관로를 단위로 개량 시점을 도출하는 경우가 많아 통합적인 개량이 가능한 구간임에도 개량 시점이 다르게 표현되고 있다는 한계가 존재한다. 또한, 상수관로는 지하에 매설되어 있는 시설물로써 육안으로는 현 상태를 확인하기 어려우며 경제적·시간적으로 모든 관로를 대상으로 정밀 진단을 수행하기 어렵다. 그러나 개량계획은 파손율 예측 모델을 기반으로 함에 따라 취득한 데이터를 기반으로 한 파손율 예측 모델이 필요한 실정이다.
따라서 본 연구에서는 대상 지역의 파손율 추이를 반영한 기본 코호트 모델을 기저로 관로가 가진 다양한 특성 요인에 따라 파손율이 상이해질 수 있음을 하이브리드형 코호트 모델을 통해 예측하였다. 또한, 파손이 집중된 지역의 면적인 데이터 특성을 반영하고자 공간적 자기상관 분석 및 커널 밀도 추정 방법론을 기반으로 한 다양한 공간분석 방법론을 활용하여 면적 단위로의 우선 개량계획 수립 방안을 제안하였다.
본 연구에서는 첫째로 연구대상지역에서 발생한 파손이 특정 지점에 집중되어 파손에 취약한 지역이 존재하는지 여부를 파악하기 위하여 전역적·국지적 모란지수 통계량 분석을 수행하였다. 역거리 가중치 제곱법을 통한 전역적 모란지수 산정 결과 z-score가 98 % 이내의 신뢰수준을 갖는 것으로 나타났으며, 유의확률이 0.00으로 나타남에 따라 파손이 통계적으로 유의한 군집화 현상을 나타내고 있는 것으로 분석되었다. 추가적으로 파손 사고가 집중된 소블록과 근접한 지점에서 수질 민원이 발생하였는지 확인하기 위하여 국지적 모란지수 통계량 분석을 수행하였으며, 파손 집중지역과 수질 민원 발생 집중지역이 유사한 것으로 나타났다. 이러한 결과는 관 파손의 영향으로 수질 민원도 다발적으로 발생할 수 있음을 나타낸다.
따라서 파손과 수질 민원이 다발적으로 발생하는 지역은 개량계획 수립 시 관 파손과 수질 민원 문제가 동시에 고려되어야 할 필요성이 있다고 할 수 있다.
둘째로, 기본 코호트 모델이 도출한 해당 연령대 관이 지니는 평균적인 파손율에서 개별 관로가 지닌 다양한 영향 요인에 따라 파손율이 변화할 수 있음을 예측한 하이브리드형 코호트 모델을 개발하였다. 모델 개발 결과 CAT 모델의 결정계수(R2)가 0.896, 평균 제곱근 오차(RMSE)가 0.035 건/km/년, 평균절대오차(MAE)가 0.027 건/km/년으로 가장 높은 성능을 보였다. 개발한 모델을 통하여 각 연령대별 관의 평균적인 파손율로부터 개별 관로가 지닌 영향 요인에 따른 다양한 파손율 값을 나타내었다. 또한, 기본 코호트 모델이 해결하지 못한 실제 파손율과 코호트 모델 값 사이의 벌어진 잔차에 대하여 하이브리드형 코호트 모델은 특정한 범주를 나타냄에 따라 해당 잔차를 일정 범주 내로 조절하였다.
마지막으로, 개발한 모델을 기반으로 면적인 개량계획 수립 및 교체 우선순위를 고려하기 위하여 국지적 모란지수 통계량 분석을 통해 파손과 수질 민원이 집중된 핫스팟 지역을 선정하였다. 분석 결과, 파손 사고와 수질 민원에 대하여 각각 6개의 소블록이 주변 지역과 비교하였을 때 현저히 높은 사고의 집중도를 나타내는 핫스팟으로 도출되었다. 또한, 최적의 개량계획 수립을 위하여 유전알고리즘을 활용하였으며, 파라미터 결정을 위한 민감도 분석 결과 세대수는 60,000, 개체수는 100, 교차율은 0.65, 변이율은 0.10으로 도출되었다.
유전알고리즘을 활용하여 분석기간 내에 최소 비용을 목적함수로 하고, 파손율 임계점 초과 자산의 비율과 단수리스크 저감률에 대한 제약조건을 설정하여 시나리오를 모의하였다. 그 결과, 투입 비용이 특정 시점에 집중되지 않으며, 교체 물량 대비 공사 비용이 69.7 만원으로 가장 경제적이었으며, 교체를 수행하였을 시, 내용연수 및 파손율 임계점 초과 자산의 비율이 타 시나리오에 비해 낮았던 [D-30-1]이 최적의 개량계획으로 도출되었다. 해당 시나리오는 단수리스크 저감률을 30 % 이상으로 유지하고, 핫스팟을 고려한 시나리오이며, 동일한 제약조건에서 핫스팟을 고려하지 않은 시나리오인 [D-30-2]보다 교체 물량 대비 공사 비용이 약 5 만원 절감되었고, 내용연수 및 파손율 임계점 초과 자산의 비율이 각각 2.35 %, 0.57 % 더 낮게 산정되었다. 종합적으로, 파손과 수질 민원이 집중된 지역에 매설된 관로를 우선적으로 교체하는 것이 경제적 타당성 및 상수도관망 시스템의 안전성 측면에서 이상적인 것으로 나타났다.
본 연구에서 제안한 방법론은 경과연수만을 고려한 기본 코호트 모델의 한계를 극복하여 다양한 영향인자를 활용한 머신러닝 기반의 하이브리드형 코호트 모델을 개발하였으며, 이를 통해 개별 관로의 다양한 특성 요인을 고려한 파손율 예측이 가능할 것이라 판단된다.
나아가 하이브리드형 코호트 모델을 최적 개량계획 수립에 활용함으로써 단수리스크 저감률을 고려하며, 내용연수 및 사전 예방적인 측면에서 파손율 임계점 초과 자산의 비율을 낮게 유지하고, 상수도관망의 안전성과 재정적 효율성을 증진시킬 수 있는 최적 개량계획 시나리오를 도출하는데 활용될 수 있을 것이라 판단된다.