KR20120029927A - 염소이온농도를 이용한 하수관거 모니터링 방법 및 이를 위한 모니터링 시스템 - Google Patents

염소이온농도를 이용한 하수관거 모니터링 방법 및 이를 위한 모니터링 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 하수관거 모니터링 방법 및 이를 위한 모니터링 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 하수관거의 동일 측정지점을 통과하는 하수의 유량과 염소이온농도를 실시간으로 측정하고, 측정한 염소이온농도의 시간에 따른 염소이온농도의 변화 그래프(측정 염소이온농도 그래프)와 동일 측정지점의 과거 염소이온농도 즉, 하수관거에 손상이 발생하기 전에 측정한 염소이온농도의 시간에 따른 변화 그래프(표준 염소이온농도 그래프)를 각각 작성한 후, 측정 염소이온농도 그래프와 표준 염소이온농도 그래프를 비교하여 실시간으로 측정되는 측정 염소이온농도가 과거의 표준 염소이온농도의 설정 범위를 벗어나는지를 감시하는 것을 특징으로 한다.

Description

염소이온농도를 이용한 하수관거 모니터링 방법 및 이를 위한 모니터링 시스템{METHOD AND SYSTEM FOR MONITORING SEWER DRAINAGE PIPES USING CHLORIDE ION CONCENTRATIONS}
본 발명은 하수관거 모니터링 방법 및 이를 위한 모니터링 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 하수관거의 동일 측정지점을 통과하는 하수의 유량과 염소이온농도를 실시간으로 측정하고, 측정한 염소이온농도의 시간에 따른 염소이온농도의 변화 그래프(측정 염소이온농도 그래프)와 동일 측정지점의 과거 염소이온농도 즉, 하수관거에 손상이 발생하기 전에 측정한 염소이온농도의 시간에 따른 변화 그래프(표준 염소이온농도 그래프)를 각각 작성한 후, 측정 염소이온농도 그래프와 표준 염소이온농도 그래프를 비교하여 실시간으로 측정되는 측정 염소이온농도가 과거의 표준 염소이온농도의 설정 범위를 벗어나는지를 감시하는 것을 특징으로 한다.
하수관거(下水管渠)는 여러 하수구에서 하수를 모아 하수 처리장으로 내려보내는 큰 하수도관을 말한다. 하수관거는 지하에 매설되며 일정한 거리마다 매설된 맨홀 내부를 통하여 인력에 의해 제한적으로 관리되도록 시설되므로 시공이 완료된 하수관거의 유지 상태 및 하수의 흐름을 정확하게 파악하는 데에는 막대한 비용과 시간이 소요된다.
그러나 지하에 설치된 하수관거는 관 파손 및 연결부 파손 등 관거 불량으로, 지하수와 불명수가 하수관을 통해 하수처리장으로 유입될 가능성이 있다. 하수관거의 손상에 따라 발생하는 주된 현상이 침입수 및 유입수(Infiltration/Inflow)와 누수의 발생이다. 침입수(Infiltration)는 하수관의 파공이나 관 이음부 불량 및 연결관 접속불량 등 관거 부실을 통해 관내로 지하수나 우수가 침입하는 것이고, 유입수(inflow)는 맨홀의 봉합불량이나 우수받이, 지붕 홈통, 지하실 배수구 등이 하수관과 연결되어 우수가 유입하는 것이다. 그리고 누수는 하수관거의 하수가 하수관의 파공이나 관 이음부 불량 및 연결관 접속불량 등 관거 부실을 통하여 관외로 배출되는 것이다.
특히, 침입수와 유입수가 발생하면, 하수만 유입되어야 할 하수처리장에 우수나 지하수가 섞여 유입되므로 하수처리장의 운영에 장애를 초래할 뿐만 아니라 운영비가 과다하게 소요된다. 이러한 문제점을 최소화하기 위해서 하수관거 정비와 지속적인 유지관리가 필요하며 이를 위한 전제로서 하수관거에 파손 등의 이상이 발생하는지를 감시하는 하수관거 모니터링이 요구된다.
일반적으로 종래의 하수관거 모니터링 방법은, 유량센서를 이용하여 하수의 유량을 분석하여 침입수 및 유입수 또는 누수의 발생 여부를 파악하였다. 그러나 종래기술은 하수관거에 설치된 유량센서의 감지 신호에 전적으로 의존하므로, 실제 유량센서의 부정한 측정값으로 인하여 정확한 분석자료를 얻기도 어려웠다. 그리고 잘못된 자료에 따라 필요 이상의 인력을 현장에 투입하여 하지 않아도 될 육안 조사, 자주차를 투입한 CCTV 조사 또는 음향 조사를 하여야 하는 문제점이 있었다.
예를 들어, 유량센서는 하수에 의해 유입되는 토사나 협잡물과 같은 이물질이 센서 주변에 부착되거나 쌓이게 되어 유속 및 수위를 정확하게 측정하지 못하는 문제점이 있었던 것이다. 또한, 센서 자체의 오차로 인하여 측정된 유속 및 수위 신호도 매순간 요동치는 문제점이 있었다.
이에 따라 최근에는 하수의 유량 외에 하수의 수질을 측정하는 모니터링 방법이 제시되었다. 이는 하수관거내 BOD, COD 총부하량을 이용하여 산정하는 방법으로서, 침입수의 수질은 "0", 침입수의 유량은 24시간 일정하며, 유입하수량의 수질은 일정하다는 3가지 가정하에 수행된다. 예를 들어, 종래의 '일 평균, 최저유량-수질 평가기법'은 대상 특정지점에서의 유량 및 수질(BOD, COD)을 실측하여 일평균, 일최저 유량(야간최저유량) 및 수질 자료를 이용하여 야간발생 하수를 산정하고, 침입수를 산정하는 방법이다.
그러나 하수관내의 BOD, COD는 오염물의 침전이나 부상 또는 자연정화 등에 의해서 변하기 때문에 추적물질로 바람직하지 않다는 문제가 있다. 또한, 우수 등 침입수의 수질은 "0"이 아닌 경우가 많고, 침입수의 유량은 시간에 따라 급변하며, 유입 하수의 수질 또한 일정하지 않기 때문에 신뢰도가 떨어지는 문제가 있었다. 또한, 종래에는 하수의 수질을 측정하기 위해서 전기전도도를 사용하는데, 전기전도도 센서는 유기성 오염 물질뿐만 아니라 지하수나 우수에 많이 포함되어 있는 다른 이온 물질(Mg, Ca 등)에 민감하게 반응하기 때문에 하수의 수질을 정확하게 평가할 수 없었다.
본 발명은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 이루어진 것으로서, 본 발명의 주된 목적은, 하수관거의 동일 측정지점에서 하수의 염소이온농도를 실시간으로 측정하고 측정된 하수의 염소이온농도를 동일한 측정지점에서 과거에 측정된 표준 염소이온농도와 비교하여 침입수가 발생하는지를 감시하는 모니터링 방법을 제공하는 것이다. 즉, 하수처리구역에 하수관로가 신설 또는 기 설치되어 운영 중인 경우에 하수처리 구역 내에서 발생하는 하수의 염소이온농도는 일정한 패턴으로 배출하는 특성 갖고 있으므로 하수관로가 정상적인 상태인 때 즉, 과거에 측정한 하수의 염소이온농도를 근거로 표준 염소이온농도 그래프를 작성하고, 이 표준 염소이온농도 그래프와 실시간으로 측정한 측정 염소이온농도 그래프를 비교하여, 하수관로의 이상 유무를 판단하고 침입수량을 산정하는 모니터링 방법을 제공하는 것이다.
상술한 본 발명의 목적을 달성하기 위한 수단으로서, 본 발명에 따른 염소이온농도를 이용한 하수관거 모니터링 방법은,
유량센서와 염소 이온센서를 이용하여 하수관거의 동일 측정지점을 통과하는 하수의 유량과 염소 이온 농도를 측정하는 측정단계(S1); 상기 측정단계(S1)에서 측정된 하수의 유량과 염소이온농도를 저장하는 저장단계(S2); 상기 측정단계(S1)에서 측정된 염소이온농도를 시간에 따른 염소이온농도의 변동을 나타내는 '측정 염소이온농도 그래프'를 작성하는 측정농도그래프 작성단계(S3); 상기 저장단계(S2)에서 저장된 과거 정상상태의 염소이온농도를 시간에 따른 염소이온농도의 변동을 나타내는 '표준 염소이온농도 그래프'를 작성하는 표준농도그래프 작성단계(S4); 상기 측정농도그래프 작성단계(S3)에서 작성된 '측정 염소이온농도 그래프'와 상기 표준농도그래프 작성단계(S4)에서 작성된 '표준 염소이온농도 그래프'를 비교하여 표준 염소이온농도의 범위를 벗어난 시간 동안의 염소이온농도의 총량인 '염소이온농도의 변동량'을 계산하는 농도변동량 산정단계(S5); 상기 농도변동량 산정단계(S5)에서 산정된 염소이온농도의 변동량이 일정 범위를 초과하는 경우에 경보신호를 발신하는 경보발생단계(S7)를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은, 상기 경보발생단계(S7)로부터 경보신호가 수신된 경우 상기 저장단계(S2)에서 저장된 측정 하수의 유량을 근거로 시간에 따른 하수의 유량 변동을 나타내는 '측정 유량 그래프'를 작성하는 측정유량그래프 작성단계(S8); 상기 저장단계(S2)에서 저장된 과거 정상상태의 유량을 시간에 따른 하수의 유량 변동을 나타내는 '표준 유량 그래프'를 작성하는 표준유량그래프 작성단계(S9); 상기 측정유량그래프 작성단계(S8)에서 작성된 '측정 유량 그래프'와 상기 표준유량그래프 작성단계(S9)에서 작성된 '표준 유량 그래프'를 비교하여 표준 유량의 범위를 벗어난 시간 동안의 하수 총 유량인 '유량의 변동량'을 계산하는 유량변동량 산정단계(S10); 상기 농도변동량 산정단계(S5)에서 산정된 염소이온농도의 변동량과 상기 유량변동량 산정단계(S10)에서 산정된 하수 유량의 변동량을 근거로 누수와 침입수의 종류 및 침입수량을 산정하는 누수 및 침입수 분석단계(S11); 상기 누수 및 침입수 분석단계(S11)의 침입수의 변동량이 일정 범위를 초과하는 경우에 관리자에게 경고신호를 발신하는 경고발생단계(S12)를 더 포함하여 이루어진다.
본 발명에 있어서, 상기 경보발생단계(S12)로부터 경보신호가 수신된 경우에 상기 누수 및 침입수가 발생한 측정지점을 하수관망도에 표시하여 누수 및 침입수가 발생하는 하수관로를 탐색하는 손상된 하수관 탐색단계를 더 포함한다.
상기 손상된 하수관 탐색단계를 통해서 누수 및 침입수가 발생하는 것이 확인된 경우 상기 하수관로의 두 측정지점을 통과하는 하수의 염소이온농도를 측정하고 그 결과에 따라 두 측정지점의 거리를 좁혀감으로써 두 측정지점 사이의 침입수 발생 위치를 찾아가는 손상부 탐색단계를 더 포함한다.
본 발명에 따른 염소이온농도를 이용한 하수관거 모니터링 방법의 다른 실시 예는,
유량센서와 염소 이온센서를 이용하여 하수관거를 흐르는 하수의 유량과 염소 이온 농도를 측정하는 측정단계(S1)와; 측정된 하수의 유량과 염소이온농도를 순차적으로 저장하고 과거의 하수의 유량과 염소이온농도를 근거로 시간에 따른 염소이온농도의 평균적인 변동을 나타내는 '표준 유량 그래프'와 '표준 염소이온농도 그래프'를 작성하는 표준그래프 작성단계(S4)와; 측정된 염소이온농도를 근거로 시간에 따른 염소이온농도의 변동을 나타내는 '측정 염소이온농도 그래프'를 작성하고 작성된 '측정 염소이온농도 그래프'에 대응하는 '표준 염소이온농도 그래프'와 비교하여 표준 염소이온농도의 범위를 벗어난 시간 동안의 염소이온농도의 총량인 '염소이온농도의 변동량'을 계산하는 농도변동량 산정단계(S5)와; 측정된 하수 유량을 근거로 시간에 따른 유량의 변동을 나타내는 '측정 유량 그래프'를 작성하고 작성된 '측정 유량 그래프'에 대응하는 '표준 유량 그래프'와 비교하여 표준 유량의 범위를 벗어난 시간 동안의 하수의 총 유량인 '하수 유량의 변동량'을 계산하는 유량변동량 산정단계(S9)와; 상기 염소이온농도의 변동량과 하수 유량 변동량을 근거로 침입수의 종류와 누수량 또는 침입수량을 산정하는 누수 및 침입수 분석단계(S11)를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.
본 실시 예에 있어서, 상기 표준그래프 작성단계(S4)는, 측정된 하수의 유량과 염소이온농도의 데이터를 순차적으로 저장하는 데이터 저장단계; 하수관로가 손상되기 전 과거 일정 기간의 하수 유량과 염소이온농도를 근거로 시간에 따른 하수의 유량과 염소이온농도의 변동을 나타내는 '표준 유량 그래프'와 '표준 염소이온농도 그래프'를 작성하여 저장하는 그래프 저장단계를 포함한다.
상기 농도변동량 산정단계(S5)는, 측정된 염소이온농도를 근거로 시간에 따른 염소이온농도의 변동을 나타내는 '측정 염소이온농도 그래프'를 작성하는 측정농도그래프 작성단계; 작성된 '측정 염소이온농도 그래프'와 이에 대응하는 '표준 염소이온농도 그래프'를 비교하는 농도비교단계와; 측정 염소이온농도 그래프'와 '표준 염소이온농도 그래프'를 비교하여 표준 염소이온농도의 범위를 벗어난 시간 동안의 염소이온농도의 총량이 염소이온농도의 변동량이 미리 설정된 범위를 초과하는 경우에 경보신호를 발생하는 경보단계를 포함한다.
상기 유량변동 산정단계(S9)는, 측정된 하수 유량을 근거로 시간에 따른 하수 유량의 변동을 나타내는 '측정 유량 그래프'를 작성하는 측정유량그래프 작성단계; 작성된 '측정 유량 그래프'와 이에 대응하는 '표준 유량 그래프'를 비교하는 유량비교단계를 포함하여 이루어진다.
상기 농도변동량 산정단계와 유량변동 산정단계는, '측정 염소이온농도 그래프'와 '측정 유량 그래프'와 대응하는 '표준 염소이온농도 그래프'와 '표준 유량 그래프'를 측정 시각과 측정 위치정보 및 요일, 날씨 등의 검색조건을 이용하여 검색하는 표준그래프 검색단계를 더 포함한다.
상기 농도변동량 산정단계와 유량변동 산정단계는, 검색된 '표준 염소이온농도 그래프'와 '표준 유량 그래프'를 '측정 염소이온농도 그래프'와 '측정 유량 그래프'와 대비하기 위해서 표준 염소이온농도 그래프 및 표준 유량 그래프를 시간 축 방향으로 이동시켜 '측정 염소이온농도 그래프' 및 '측정 유량 그래프'와 최대한 근사한 패턴을 형성하도록 하는 표준그래프 정렬단계를 더 포함한다.
또한, 본 발명에 따른 염소이온농도를 이용한 하수관거 모니터링 방법을 수행하기 위한 하수관거 모니터링 시스템은,
하수관거에 설치되어 하수관거를 통과하는 하수의 유량을 측정하는 유량센서와; 상기 유량센서가 설치된 하수관거의 동일 위치에 설치되어 하수관거를 통과하는 하수의 염소이온농도를 측정하는 염소이온농도센서와; 상기 유량센서와 염소이온농도센서에서 측정한 염소이온농도 및 유량 데이터를 근거로 과거 하수관거에 이상이 발생하기 전 일정 기간 동안에 측정된 염소이온농도를 근거로 표준 염소이온농도 그래프를 작성하고, 실시간으로 측정된 염소이온농도를 근거로 측정 염소이온농도 그래프를 작성하며, 상기 측정 염소이온농도 그래프를 상기 표준 염소이온농도 그래프와 비교하여, 측정 염소이온농도가 표준 염소이온농도에서 얼마나 벗어나는 지를 분석하고, 측정 염소이온농도가 표준 염소이온농도의 설정범위를 벗어나는 경우 설정범위를 벗어난 기간 동안의 염소이온농도의 총량을 구하여 염소이온농도의 변화량을 산정하고, 상기 염소이온농도의 변화량이 설정된 변화량을 초과할 경우에는 과거 하수관거에 이상이 발생하기 전 일정 기간 동안에 측정된 유량을 근거로 표준 유량 그래프를 작성하고, 실시간으로 측정된 유량을 근거로 측정 유량 그래프를 작성한 후 이들을 비교하여 상기한 측정 염소이온농도가 표준 염소이온농도의 설정범위를 벗어난 기간 동안의 하수 총량 즉 유량의 변화량을 산정하며, 상기한 염소이온농도의 변화량과 유량의 변화량을 근거로 침입수의 종류와 누수 및 침입수량을 산정함과 아울러 상기 침입수량이 일정 범위를 초과할 경고신호를 발생하는 모니터링 서버를 포함하여 이루어진다.
본 발명에 있어서, 상기 모니터링 서버는, 상기 하수관거에 설치된 유량센서와 염소이온농도센서로부터 유량과 염소이온농도 및 측정 시각정보와 측정 위치정보를 수신하고 수신한 유량과 염소이온농도 데이터를 데이터베이스에 저장하는 수신모듈과; 실시간으로 수신한 유량, 염소이온농도, 측정 시각 및 위치 정보를 이용하여 다양한 시간 간격의 '측정 염소이온농도 그래프'와 '측정 유량 그래프'를 작성하고, 데이터베이스에 저장된 과거 일정 기간의 유량, 염소이온농도, 측정 시각 및 위치 정보를 이용하여 '표준 염소이온농도 그래프'와 '표준 유량 그래프'를 작성하고 이들을 비교하여, 염소이온농도의 변동량과 유량의 변동량을 산정하며, 상기 염소이온농도 변동량과 유량 변동량을 근거로 침입수의 변동량을 산정하고 그 변동량이 기준 범위를 넘을 경우에는 경고신호를 발신하는 중앙제어서버와; 하수관 직경, 거리 또는 맨홀 위치로 이루어지는 하수관망 정보와 강우설량 이력 정보를 포함하는 하수관망 기초정보를 사용자로부터 입력받고, 사용자의 요청에 따라 유량, 염소이온농도 침입수량 및 각종 그래프를 출력하는 운영자컴퓨터를 포함하여 이루어진다.
본 발명에 있어서, 상기 수신모듈은, 네트워크를 통해 측정된 유량과 염소이온농도 그리고 측정시각과 측정장소에 관한 정보를 전송받는 통신망접속부와 상기 통신망접속부를 통해 수신한 유량 및 염소이온농도를 위치 정보 및 측정 시각 정보에 따라 분류하여 데이터베이스에 저장하는 데이터수집서버로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기 중앙제어서버는 수신된 유량과 염소이온농도를 이용하여 하수 측정 유량 그랙프와 측정 염소이온농도 그래프 또는 표준 유량 그래프와 표준 염소이온농도 그래프를 작성하는 그래프작성부와, 상기 '측정 염소이온농도 그래프'와 '표준 염소이온농도 그래프'를 비교하여 염소이온농도의 변동량을 계산하고 '측정 유량 그래프'와 '표준 유량 그래프'를 비교하여 하수 유량의 변동량을 계산하고 상기한 염소이온농도 변동량과 하수 유량 변동량을 근거로 침입수의 여부와 침입수량을 산정하고 침입수량이 일정 범위를 넘을 경우에는 경고신호를 발생하는 분석부와, 상기 염소이온농도의 변동량과 침입수의 변동량이 일정 범위를 초과할 경우에 경보신호를 발생하는 알람부를 포함하여 구성된다.
상기 중앙제어서버는, 상기 데이터베이스에 저장되어 있는 유량 및 염소이온농도를 위치정보와 측정시각에 따라 검색하거나, 표준그래프 저장부에 저장되어 있는 표준그래프를 위치정보와 측정시각 또는 요일이나 날씨정보를 이용하여 검색하는 검색부를 더 포함한다.
상기 중앙제어서버는, 상기 표준 염소이온농도 그래프와 측정 염소이온농도 그래프 그리고 표준 유량 그래프와 측정 유량 그래프를 서로 비교할 때 표준 그래프가 측정 그래프와 가장 근사하게 배치되도록 표준 그래프의 위치를 조정하는 그래프정렬부를 더 포함한다.
상기 그래프정렬부는 인식된 '측정 그래프'의 특징량을 입력신호로 하여 측정 그래프의 패턴을 인식하기 위해 기억된 퍼지 규칙에 따라 퍼지값을 생성하는 제1 퍼지 추론단계와, 인식된 '표준 그래프'의 특징량을 입력신호로 하여 표준 그래프의 패턴을 인식하기 위해 기억된 퍼지 규칙에 따라 퍼지값을 생성하는 제2 퍼지 추론단계와, 상기 제1 및 제2 추론단계에서 각각 생성된 퍼지값을 입력신호로 하여 표준 그래프 패턴과 측정 그래프 패턴의 차이를 인식하기 위해 기억된 퍼지 규칙에 따라 퍼지값을 생성하는 제3 퍼지 추론단계로 구성된 퍼지추론시스템으로 이루어진다.
본 발명의 염소이온농도를 이용한 하수관거 모니터링 방법은, 하수의 유량을 직접 모니터하지 않는 대신에 하수에 포함된 염소이온농도를 중심으로 모니터링하므로 실시간으로 하수관거의 이상 발생 여부를 감시할 수 있고, 침입수의 종류를 판단할 수 있을 뿐만 아니라 침입수량을 실시간으로 계산할 수 있으며 누수와 침입수가 복합적으로 발생하여 유량에 변화가 없는 경우에도 하수의 이상 발생 여부를 감지할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 하수관거의 동일 측정지점에서 측정한 하수의 유량 및 염소이온농도를 이용하여 측정 그래프를 작성하고, 동일 측정지점에서 측정한 과거의 유량 및 염소이온농도를 이용하여 표준 그래프를 작성한 후, 작성된 측정 그래프와 표준 그래프를 비교하여 염소이온농도 및 일정 시간 동안의 염소이온농도의 총량이 기준 염소이온농도 및 기준 염소이온농도를 벗어나는지를 감시하여 하수관거의 이상발생 가능성을 경고하고, 하수관거의 이상 발생 가능성이 있는 경우에만 하수의 변동량과 침입수량을 산정함으로써 모니터링 시스템의 부하를 크게 줄여줄 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 하수관거의 두 측정지점에서 염소이온농도를 측정하고 두 측정지점의 염소농도그래프를 비교하여 염소이온농도가 일정 범위를 벗어나는지를 조사함으로써 두 측정지점 사이에서 침입수가 발생하는지를 쉽게 확인할 수 있으므로 육안 조사, CCTV 조사 또는 음향 조사 등 비용이 많이 소요되는 조사를 생략할 수 있는 효과가 있다.
도 1a는 하수관거의 동일 측정지점에서 측정한 하수 유량의 변동을 보여주는 그래프,
도 1b는 하수관거의 동일 측정지점에서 측정한 하수의 염소이온농도의 변동을 보여주는 그래프,
도 2a는 표준 염소이온농도 그래프의 일 예를 보여주는 도,
도 2b는 측정 염소이온농도 그래프의 일 예를 보여주는 도,
도 2c는 표준 염소이온농도 그래프와 측정 염소이온농도 그래프를 비교한 도,
도 3은 표준 유량 그래프와 측정 유량 그래프를 비교한 도,
도 4는 침입수의 유량 변동을 보여주는 그래프,
도 5는 본 발명에 따른 염소이온농도를 이용한 하수관거 모니터링 방법의 일 예를 보여주는 도,
도 6은 본 발명에 따른 염소이온농도를 이용한 하수관거 모니터링 방법의 다른 실시 예를 보여주는 도,
도 7은 본 발명에 따른 하수관거 모니터링 시스템의 개략적인 구성을 보여주는 도,
도 8은 본 발명에 따른 현장 제어반의 구조를 보여주는 구성도,
도 9는 본 발명에 따른 하수관거 모니터링 시스템의 구성을 보여주는 구성도,
도 10은 표준 그래프정렬을 위한 퍼지추론시스템을 보여주는 설명도,
도 11은 다양한 시간 간격의 염소이온농도 그래프를 보여주는 도,
도 12는 본 발명에 따른 손상된 하수관 탐색방법을 설명하기 위한 하수관망도,
도 13은 본 발명에 따른 손상부 탐색방법을 설명하기 위한 하수관로의 도이다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명에 따른 염소이온농도를 이용한 하수관거 모니터링 방법 및 이를 위한 모니터링 시스템에 대해서 상세히 설명한다.
먼저, 도 1a는 하수관거의 동일 측정지점에서 측정한 하수 유량의 변동을 보여주는 그래프이고, 도 1b는 하수관거의 동일 측정지점에서 측정한 하수의 염소이온농도의 변동을 보여주는 그래프이다. 각각 X축에는 시간이, Y축에는 하수 유량 및 염소이온농도가 표시된다.
도시된 바와 같이, 도 1a에 도시된 하수의 유량 그래프는 매 측정시각마다 유량이 큰 폭으로 변하는 반면, 도 1b에 도시된 하수의 염소이온농도는 비교적 일정하게 유지되는 것을 알 수 있다. 즉, 하수관거는 각 가정에서 배출되는 여러 하수가 모여서 흐르는 곳이므로 하수의 유량(㎥/sec)은 가정에서 배출하는 하수의 양에 따라 수시로 급변하게 된다. 반면에 하수의 염소이온농도(㎎/ℓ)는 각 가정에서 배출되는 하수가 혼합되어 항상 평균적인 염소이온농도를 나타내기 때문에 염소이온농도가 비교적 일정하게 유지된다. 또한, 하수의 유량 변동으로는 하수관거로 유입되는 물이 어떤 종류의 물인지 구분할 수 없으나 염소이온농도의 변동은 하수관으로 유입되는 물이 하수인지 자연수 또는 고농도 유기성 폐수인지를 구분할 수 있는 장점이 있다. 따라서 하수의 염소이온농도는 하수관거를 모니터링하는 지표로써 매우 유용함을 알 수 있다.
즉, 가정이나 빌딩에서 배출되는 하수나 분뇨에는 상당량의 염소 이온이 포함되어 있다. 반면에 지하수나 우수와 같은 자연수(自然水)에는 염소 이온(Cl-)이 거의 포함되어 있지 않다. 즉, 가정으로 공급되는 수돗물(자연수)에는 염소 이온이 거의 포함되어 있지 않으나 인간 생활에는 많은 양의 소금이 사용되고 있으므로 가정에서 배출되는 하수에는 상당량의 염소 이온이 포함되게 된다. 따라서 하수관로의 어느 한 측정지점에서 일정 기간 동안 하수의 유량 및 염소이온농도를 측정하여 시간에 따른 하수의 유량과 염소이온농도의 변화를 그래프로 작성할 수 있다.
한편, 하수관로의 어느 한 측정지점에서 측정한 하수의 유량 및 염소이온농도는 시간의 변화에 따라 일정한 패턴으로 변동한다. 이와 같이 하수의 유량과 염소이온농도가 일정한 패턴을 갖는 이유는, 첫째, 일정한 하수처리구역 내의 인구 변화가 없고 처리구역 내에 살고 있는 사람들의 생활패턴과 식생활 문화가 비슷하기 때문이고, 둘째, 하수관로가 정상적인 경우 즉, 파공이 클랙이 없는 정상의 하수관로에는 각 가정에서 배출하는 하수만 흐르고 외부에서 불명수가 유입되거나 내부의 하수가 외부로 누출되지 않기 때문이다. 이와 같이, 하수관로가 정상상태이고 하수처리구역 내에 살고 있는 사람들의 생활패턴과 식생활 문화가 유사하면 동일한 시간에 배출되는 하수의 유량과 염소 이온의 양이 같기 때문에 하수관로를 흐르는 하수의 유량 및 염소이온농도는 일정한 패턴을 갖게 된다.
예를 들어, 식사시간 전후로 배출되는 하수는 설거지 물과 같이 식염이 많이 포함된 하수가 대량으로 배출되므로 하수의 유량이 많고 염소이온농도가 높다. 또한, 낮시간대는 밤 시간대에 비해서 하수의 유량이 많고 염소이온농도가 높다. 또한, 일요일이나 공휴일에는 가정에서 생활하는 사람이 늘어 가정에서 배출되는 하수의 유량이 늘어나고 염소이온농도가 증가하는 반면에 도심에서 배출되는 하수는 유량이 감소하고 염소이온농도도 줄어들게 된다. 아울러 하수의 염소이온농도는 기온이나 강우와 같은 날씨 변화에 따라 하수의 유량이 늘거나 줄어들고 염소이온농도가 높아지거나 낮아진다. 따라서 하수의 유량 및 염소이온농도의 변화 패턴은 각 하수처리구역의 생활패턴이나 처리구역의 날씨에 따라 서로 다른 패턴을 갖게 된다.
도 2a는 하수관거에 파손이나 손실이 없어 외부에서 관내로 자연수나 우수 또는 고농도의 유기성 폐수가 유입되지 않거나 관내의 하수가 외부로 누출되지 않는 상태에서 측정한 염소이온농도의 패턴을 보여준다. 이와 같이 정상상태의 하수관로에서 작성된 염소이온농도 그래프를 '표준 염소이온농도 그래프'라고 한다. 여기서 표준 염소이온농도 그래프의 상단과 하단에 점선으로 표시된 것은 표준 염소이온농도의 설정범위(Cmax-Cmin)를 보여주는 것이다. 따라서 이 설정범위 내에서의 염소이온농도 변동은 허용되거나 무시된다.
도 2b은 하수관로의 동일 측정지점에서 하수의 유량과 염소이온농도를 실시간으로 측정한 염소이온농도의 변동을 나타내는 그래프이다. 이 염소이온농도 그래프는 하수관거에 파손이 발생하였거나 파손이 의심되는 하수관거에서 실시간으로 측정된 것으로서 '측정 염소이온농도 그래프'라고 한다. 일반적으로 측정 염소이온농도 그래프는 이미 '표준 염소이온농도 그래프'가 작성된 하수관로에서 작성될 경우 유용하다. 즉, '측정 염소이온농도 그래프'를 '표준 염소이온농도 그래프'와 비교하면 하수관로가 파손되거나 손실되었는지를 쉽게 확인할 수 있다.
도 2c은 '측정 염소이온농도 그래프'와 '표준 염소이온농도 그래프'를 비교한 그래프의 일 예를 보여준다. 도시된 바와 같이, 하수관로에 손상이 생기고 이 손상부를 통해 외부로부터 침입수나 고농도 유기성 폐수(불명수)가 유입되면, 실시간으로 측정한 '측정 염소이온농도 그래프'와 '표준 염소이온농도 그래프'가 서로 다른 패턴을 나타낸다. 이때 실시간으로 측정한 염소이온농도 그래프가 표준 염소이온농도 그래프의 설정범위(Cmax-Cmin)를 초과하면 그 측정지점의 상류에서 하수관로의 내부로 불명수가 유입되고 있다는 것을 의미한다. 즉, 측정 염소이온농도 그래프와 표준 염소이온농도 그래프의 설정범위와의 차이를 구하면 염소이온농도의 차(a)를 구할 수 있고, 측정 염소이온농도 그래프와 표준 염소이온농도 그래프의 두 교차점(t0 ,tm) 사이의 염소이온농도의 합(b)을 구하면, 일정 시간 동안(t0-tm)의 염소이온농의 변동량(b)을 구할 수 있다. 이 염소이온농도 변동량(b)은 정상상태의 하수관로에 비해서 늘어난 염소이온이나 줄어든 염소이온을 나타낸다.
또한, 도 3을 참조하면, 측정 유량 그래프를 표준 유량 그래프와 비교하면, 정상상태인 하수관로와 손상된 하수관로를 흐르는 하수의 유량 차이(c)를 구할 수 있고 일정시간 동안(t0 ,tm)의 유량의 변동량(d)을 구할 수 있다.
또한, 도 4에서 보는 바와 같이, 측정 염소이온농도 그래프와 측정 유량 그래프 그리고 표준 염소이온농도 그래프 및 표준 유량 그래프를 이용하여 표준 침입수 그래프와 측정 침입수 그래프를 작성하면, 손상된 하수관로를 흐르는 하수의 침입수의 차이(e)를 구할 수 있고, 일정시간 동안(t0 ,tm)의 침입수의 변동량(f)도 구할 수 있다.
이와 같이, 본 발명에 따른 하수관거 모니터링 방법은, 첫째, 하수관거에 손상이 발생하지 않은 정상상태에서 측정한 하수 염소이온농도 변화 그래프와 실시간으로 측정한 하수의 염소이온농도 그래프를 비교하여 측정 하수 염소이온농도가 표준 염소이온농도 그래프에서 얼마나 벗어났는지를 감시하여 염소이온농도의 차(a)와 염소이온농도의 변동량(b)이 미리 설정된 범위를 초과하면 경고신호를 발생한다. 둘째, 경고신호가 발생한 경우에는 표준 유량 그래프와 측정 유량 그래프를 비교하여 유량의 차(c)와 일정기간 동안의 하수 유량의 변동량(d)을 분석한 후, 상기 염소이온농도의 변동량(b)과 유량의 변동량(d)을 이용하여 침입수 유량 그래프를 작성하여 침입수의 변동량(f)을 구하거나 침입수의 종류 및 침입수량을 산정한다.
즉, 종래의 하수관거 모니터링 방법은, 하수의 유량을 직접 모니터하는 방식이다. 그런데 하수의 유량은 매 측정시간마다 급변하기 때문에 하수관거의 이상을 실시간으로 감시할 수 없을 뿐만 아니라 하수와 자연수 또는 고농도 유기성 폐수를 구분하지 못하기 때문에 침입수량을 실시간으로 파악할 수 없는 한계가 있었다. 그러나 본 발명의 하수관거 모니터링 방법은, 하수의 유량을 감시하는 것이 아니라 시간에 따른 변화가 거의 없는 염소이온농도를 감시하기 때문에 실시간으로 하수관거를 모니터링할 수 있다. 또한, 경고신호가 발생한 경우에만 하수의 유량을 분석하기 때문에 모니터링 시스템의 부하를 최소화할 수 있다.
도 5는 본 발명에 따른 염소이온농도를 이용한 하수관거 모니터링 방법을 위한 모니터링 시스템을 보여주는 개략도이다. 도시된 바와 같이, 하수관거(110)의 동일한 측정지점에 설치된 유량센서(10)와 염소이온농도센서(20), 그리고 상기 유량센서(20) 및 염소이온농도센서(20)에서 측정한 염소이온농도 및 유량 데이터를 근거로 '측정 염소이온농도 그래프'와 '측정 유량 그래프'를 작성하고, 이것을 '표준 염소이온농도 그래프' 및 '표준 유량 그래프'와 비교하여, 실시간으로 측정한 염소이온농도가 표준 염소이온농도의 설정 범위를 초과하는지를 감시하고 미리 설정한 범위(Cmax-Cmin)를 초과하는 경우에는 1차 경고신호를 발생하고, 1차 경고신호가 발생한 경우에는 '측정 염소이온농도 그래프'와' 표준 염소이온농도 그래프'를 비교하여 일정 시간 동안 즉, 측정 염소이온농도가 미리 설정한 범위(Cmax-Cmin)를 초과하는 시간 동안의 염소이온농도의 변동량을 계산하여 미리 설정된 염소이온농도의 변동량을 초과하였는지를 판단하고 그 범위를 초과하는 경우에는 2차 경고신호를 발생하며, 2차 경고신호가 발생한 경우에는 '측정 유량 그래프'와 '표준 유량 그래프'를 비교하여 일정 시간 동안 즉, 측정 염소이온농도가 미리 설정한 범위(Cmax-Cmin)를 초과하는 시간 동안의 하수 유량의 변동량을 계산하고, 상기한 염소이온농도의 변동량과 하수 유량의 변동량을 근거로 침입수의 종류와 누수를 판단하고 침입수량을 계산하고, 계산된 침입수량이 미리 설정된 침입수량을 초과하는 경우에는 관리자에게 경보신호를 발생하는 모니터링 서버(30)를 포함하여 이루어진다.
이어, 도 6은 본 발명에 따른 염소이온농도를 이용한 하수관거 모니터링 방법의 일 실시 예를 보여준다. 도시된 바와 같이, 본 발명의 염소이온농도를 이용한 하수관거 모니터링 방법은, 크게 유량센서(10)와 염소 이온농도센서(20)를 이용하여 하수관거(110)의 동일한 측정지점을 흐르는 하수의 유량과 염소 이온 농도를 측정하는 측정단계(S1)와,
상기 측정단계(S1)에서 측정된 하수의 유량과 염소이온농도를 상기 모니터링 서버(30)의 저장장치에 순차적으로 저장하는 저장단계(S2)와,
상기 측정단계(S1)에서 측정된 염소이온농도를 시간에 따른 염소이온농도의 변동으로 나타내는 '측정 염소이온농도 그래프'를 작성하는 측정농도그래프 작성단계(S3)와,
상기 저장단계(S2)에서 저장된 과거 정상상태의 하수의 염소이온농도를 시간에 따른 염소이온농도의 변동으로 나타내는 '표준 염소이온농도 그래프'를 작성하는 표준농도그래프 작성단계(S4)를 포함한다.
이어서, 상기 측정농도그래프 작성단계(S3)에서 작성된 '측정 염소이온농도 그래프'와 상기 표준농도그래프 작성단계(S4)에서 작성된 '표준 염소이온농도 그래프'를 비교하여 측정 염소이온농도가 표준 염소이온농도의 설정범위를 벗어나는지를 감시하고 설정된 범위를 넘는 경우에는 그 기간 동안에 변동한 염소이온농도의 변동량을 계산하는 농도변동량 산정단계(S5)를 더 포함한다.
그리고 상기 농도변동량 산정단계(S5)에서 산정된 염소이온농도의 변동량이 설정된 범위를 초과하는 비교하는 비교단계(S6)와 미리 설정된 범위를 초과할 경우에 경고신호를 발생하는 경고발생단계(S6)로 이루어진다.
또한, 본 발명은, 상기 경고발생단계(S7)에서 경고신호가 발생한 경우에 상기 저장단계(S2)에서 저장된 측정 하수의 유량이나 상기 측정단계에서 측정된 하수의 유량을 근거로 시간에 따른 하수의 유량 변동을 나타내는 '측정 유량 그래프'를 작성하는 측정유량그래프 작성단계(S8)와, 상기 저장단계(S2)에서 저장된 과거 정상상태의 하수 유량을 시간에 따른 하수의 유량 변동을 나타내는 '표준 유량 그래프'를 작성하는 표준유량그래프 작성단계(S9)를 포함한다.,
그리고 상기 측정유량그래프 작성단계(S8)에서 작성된 '측정 유량 그래프'와 상기 표준유량그래프 작성단계(S9)에서 작성된 '표준 유량 그래프'를 비교하여 하수 유량 변동과 일정 시간 동안의 하수 유량의 변동량을 산정하는 유량변동량 산정단계(S10)를 포함한다.
또한, 본 발명은, 상기 농도변동량 산정단계(S5)에서 산정된 염소이온농도 변동량 그리고 상기 유량변동량 산정단계(S10)에서 산정된 유량의 변동량을 근거로 침입수의 종류 및 침입수량을 산정하는 누수 및 침입수 분석단계(S11)와, 상기 누수 및 침입수 분석단계(S11)에서 산정된 침입수의 변동량이 일정 범위를 초과하는 경우에 관리자에게 경보신호를 발신하는 경보발생단계(S12)를 포함하여 이루어진다.
이와 같이 본 발명은 '표준 염소이온농도 그래프'와 '측정 염소 이온 농도 그래프'를 이용하여 염소이온농도의 변동을 관찰하고, 상기 염소이온농도의 변동량이 일정 범위를 초과하는 경우에만 '표준 유량 그래프'와 '측정 유량 그래프'를 이용하여 하수의 변동량 및 침입수의 변동량을 계산함으로써 유량 및 침입수량을 분석하는 과정을 최소로 하여 시스템의 부하를 줄일 수 있다.
그리고, 도 7은 본 발명의 염소이온농도를 이용한 하수관거 모니터링 방법의 다른 실시 예를 보여준다. 도시된 바와 같이, 본 발명의 하수관거 모니터링 방법은, 측정단계(S1), 측정농도그래프 작성단계(S3), 표준그래프 작성단계(S4), 농도변동량 산정단계(S5), 농도변동량 비교단계(S6), 유량변동량 산정단계(S10), 누수 및 침입수 분석단계(S11) 및 표준그래프 검색단계(S13)를 포함하여 이루어진다.
상기 측정단계(S1)는, 유량센서(10)와 염소 이온농도센서(20)를 이용하여 하수관거(110)의 동일 측정지점을 흐르는 하수의 유량과 염소 이온 농도를 측정하는 단계이다.
상기 측정농도그래프 작성단계(S3)는, 실시간으로 측정된 염소이온농도를 근거로 모니터링 서버(30)에서 시간에 따른 염소이온농도의 변동을 나타내는 '측정 염소이온농도 그래프'를 작성하고 표시하는 단계이다.
상기 표준그래프 작성단계(S4)는, 측정된 하수의 유량과 염소이온농도를 순차적으로 저장하고 과거 정상상태의 하수의 유량과 염소이온농도를 근거로 시간에 따른 염소이온농도의 변동을 나타내는 '표준 유량 그래프'와 '표준 염소이온농도 그래프'를 작성하고 저장하는 단계이다. 이를 위해, 상기 표준그래프 작성단계(S4)는 측정단계(S1)에서 측정된 하수의 유량 및 염소이온농도의 데이터를 저장하는 데이터저장단계와, 저장된 데이터 중에서 정상상태의 데이터를 근거로 작성된 각종 표준 그래프를 저장하는 표준그래프 저장단계를 포함한다.
일반적으로 일정한 하수처리구역에 하수관로가 신설되거나 수리 등을 통해 정상적으로 운영 중인 경우에는 하수관로를 통과하는 하수의 유량과 염소이온농도는 일정한 표준 패턴을 보인다. 그런데 이러한 표준 패턴을 시간에 따른 그래프로 작성할 때, 분, 시간, 일, 주, 월 등의 시간 간격에 따라 서로 다른 패턴을 보이게 된다.(도 11참조) 또한, 그래프의 시간 간격이 변동되면 침입수의 설정범위도 변하게 된다. 예를 들어, 시간간격이 좁으면 설정범위가 상대적으로 넓어지고 시간간격이 넓으면 설정범위는 상대적으로 좁아지게 된다. 따라서 하수관거의 상태를 정확하게 모니터하기 위해서, 상기 표준그래프 작성단계(S4)는 다양한 시간 간격으로 여러 종류의 표준그래프를 작성하여 저장하고 각각의 시간 간격에 적합한 허용범위를 설정한다.
특히, 침입수나 누수의 설정범위는 경제성을 고려하여 선정된다. 지하에 매설되는 하수관거의 특성상 일정 범위 내에서 침입수나 누수를 허용하는 것이 경제적이다. 침입수량이나 누수량이 상대적으로 적은 경우에는 하수처리시설에 미치는 악영향이 작은 반면에 하수관거의 교체나 수리 비용이 많이 들기 때문이다. 이에 따라 염소이온농도의 변동량이 미리 설정된 범위를 넘지 않는 경우에는 경고신호가 발생되지 않도록 설정할 수 있다. 이러한 설정범위는 당해 하수관로의 특성을 고려하여 전문가가 미리 결정하여 입력한다.
상기 농도변동량 산정단계(S5)는, 측정된 염소이온농도를 근거로 작성된 '측정 염소이온농도 그래프'와 이 '측정 염소이온농도 그래프'에 대응하는 '표준 염소이온농도 그래프'를 비교하여 염소이온농도의 차와 염소이온농도의 변동량을 산정한다. 이를 위해서, 상기 농도변동량 산정단계(S5)는, '측정 염소이온농도 그래프'와 대응하는 표준 그래프를 불러오기 위해서 상기 표준그래프 작성단계(S4)에서 작성된 '표준 염소이온농도 그래프'를 검색하는 표준그래프 검색단계(S13)와, 검색된 '표준 염소이온농도 그래프'를 '측정 염소이온농도 그래프'와 비교하기 위해서 정렬하는 표준그래프 정렬단계와, '표준 염소이온농도 그래프'를 '측정 염소이온농도 그래프'를 비교하여 염소이온농도의 변동량을 산정하는 농도그래프 분석단계를 포함한다.
이어서, 상기 농도변동량 비교단계(S6)는, '측정 염소이온농도 그래프'와 '표준 염소이온농도 그래프'를 비교한 결과 염소이온농도의 변동량이 일정 범위를 초과하는 경우에 경고신호를 발생시킨다.
그리고 상기 유량변동량 산정단계(S10)는, 상기 농도변동량 비교단계(S6)에서 경고신호가 발생한 경우에, 측정된 하수 유량을 근거로 '측정 유량 그래프'를 작성하고 작성된 '측정 유량 그래프'에 대응하는 '표준 유량 그래프'를 검색하여 하수 유량의 변동량을 계산한다. 이를 위해 상기 유량변동 산정단계(S10)는, '측정 유량 그래프'와 대응하는 표준 그래프를 불러오기 위해서 상기 표준그래프 작성단계(S4)에서 작성된 '표준 유량 그래프'를 검색하는 표준그래프 검색단계(S13)와, 검색된 '표준 유량 그래프'를 '측정 유량 그래프'와 비교하기 위해서 정렬하는 표준그래프 정렬단계와, '표준 유량 그래프'를 '측정 유량 그래프'를 비교하여 유량 변동량을 산정하는 유량그래프 분석단계를 포함한다.
이때, 상기 표준그래프 검색단계(S13)는, 실시간으로 작성하고 있는 측정 그래프의 측정 시각과 측정 위치정보뿐만 아니라 요일, 날씨 등의 다양한 검색조건을 이용하여 검색할 수 있다. 예를 들어, 실시간으로 유량 및 염소 이온 농도를 측정하는 동안에 날씨가 바뀌면 바뀐 날씨에 따라 새로운 표준그래프를 검색하여 불러온다.
그리고, 상기 표준그래프 정렬단계는, 검색된 '표준 그래프'와 실시간으로 작성되고 있는 '측정 그래프'를 서로 비교하여 두 그래프의 패턴은 서로 유사하나 시간차가 발생하여 두 패턴 사이에 위상 차가 있는 경우에, 표준 그래프와 측정 그래프를 정확하게 비교할 수 있도록 표준 그래프를 시간 축 방향으로 이동시켜 '표준 그래프'와 '측정 그래프'를 일치시킨다. 즉, 표준 그래프와 측정 그래프의 위상이 일치하여야 그 변동량을 정확하게 산정할 수 있다. 상기 표준그래프 정렬단계는 퍼지추론시스템에 의해서 구현될 수 있다.
그리고 상기 누수 및 침입수 분석단계(S11)는, 상기 농도변동량 산정단계(S5)에서 산정한 염소이온농도 변동량 및 상기 유량변동량 산정단계(S10)에서 산정한 유량의 변동량을 근거로 침입수의 종류 및 누수와 침입수량을 산정한다.
예를 들어, 상기 농도변동량 산정단계(S5)는, 표준 염소이온농도 그래프와 측정 염소이온농도 그래프를 비교하여, 일정시간 동안의 염소이온농도의 변동량을 산정한다. 염소이온농도의 변동량은 크게 양(+)의 값이나 음(-)의 값을 가질 수 있다. 또한, 상기 유량변동량 산정단계(S10)에서는, 표준 유량 그래프와 측정 유량 그래프를 비교하여, 일정시간 동안의 하수 유량의 변동량을 산정한다. 유량의 변동량도 크게 양(+)의 값이나 음(-)의 값을 가질 수 있다. 따라서 염소이온농도 변동량의 증감과 유량 변동량의 증감을 이용하면 하수관거로 유입되는 침입수의 종류를 판별할 수 있다.
즉, 염소이온농도의 변동량이 음(-)의 값을 가지면서 하수 유량의 변동량이 양(+)의 값을 갖는 경우에는 관내로 자연수에 가까운 침입수가 유입되는 경우이고, 염소이온농도의 변동량이 양(+)의 값을 가지면서 하수 유량의 변동량도 양(+)의 값을 갖는 경우에는 관내로 고농도의 유기성 폐수가 유입되는 경우이며, 염소이온농도의 변동량이 음(-)의 값을 가지면서 하수 유량의 변동량도 양(+)의 값을 갖는 경우에는 관내로 자연수에 가까운 침입수가 유입되는 동시에 누수가 발생하는 경우이고, 염소이온농도의 변동량이 양(+)의 값을 가지면서 유량의 변동량이 음(-)의 값을 갖는 경우에는 관내로 고농도의 유기성 폐수가 유입되는 동시에 누수가 발생하는 경우이다. 여기서 고농도의 유기성 폐수는 일반 하수보다 염소이온농도가 높은 축산폐수나 공업폐수를 말한다.
또한, 상기 누수 및 침입수 분석단계(S11)에서는 누수 및 침입수량을 산정할 수 있다. 예를 들어, 누수량은 표준 유량그래프와 측정 유량 그래프를 비교하여 직접 산정할 수 있으나, 침입수량은 표준 유량그래프와 측정 유량 그래프를 이용하여 직접 산정할 수 없고 염소 이온 물질 식을 이용하여 산정한다.
즉, 하수관로가 손상되기 전 상태인 하수관로의 한 측정지점에서, 임의의 측정 시각(t)에 측정한 유량을 표준 유량 "Qs"라 하고, 같은 측정 시각에 측정한 염소이온농도를 표준 염소이온농도 "Cs" 라고 하며, 같은 측정 시각에 같은 측정지점을 통과하는 하수에 포함된 염소 이온의 양을 표준 염소 이온 량 "Ks"라 할 때, 표준 염소 이온 량(Ks)은 표준 염소이온농도(Cs)에 표준 유량(Qs)을 곱하여 얻어진다. 이를 염소 이온의 물질수지 식이라 한다. 여기서 영문자 s는 표준(standard)을 나타낸다.
Qs x Cs = Ks..................................................(1)
따라서 일정 시간 동안 하수관거를 통과하는 하수에 포함되어 있는 표준 염소 이온 총량 즉, 표준 염소 이온 총량(∑Ksi)은 아래의 수식으로 표시된다. 여기서 "∑"는 일정시간 동안의 합을 의미하고, i는 일정한 시간을 나타내는 것으로 i=1,2,3...n이다. 따라서 ∑Ksi는 1~n시간 동안 하수관거를 통과한 하수에 포함된 염소이온농도의 총합을 의미한다.
∑Qsi x ∑Csi = ∑Ksi........................................(2)
한편, 어느 하수처리구역의 크기나 인구에 변경이 없고 그 처리구역에 살고 있는 사람의 생활패턴이 일정하면 동일한 일정시간 동안(1~n) 통과한 하수에 포함된 염소 이온의 총량(∑Ksi)은 일정하다. 이것은 일정한 하수처리구역에 살고 있는 사람들이 일정 시간 동안에 배출하는 염소 이온의 양은 같다는 경험에 의한 것이다.
따라서 어느 하수관로의 동일한 측정지점에서 일정한 시간 동안(1~n)에 실시간으로 측정한 하수의 총 유량을 "∑Qri"이라고 하고, 같은 시간 동안 실시간으로 측정한 염소이온농도의 총량을 "∑Cri"라고 하면, 같은 시간 동안 그 측정지점을 통과하는 하수에 포함된 측정 염소 이온의 총량(∑Kri)은 하수관로에 이상이 없으면 표준 염소 이온의 총량(∑Ksi)과 같을 것이다. 여기서 영문자 r은 측정(real)을 의미한다. 이를 수식으로 표시하면 아래와 같다.
∑Kri = ∑Ksi..................................................(3)
여기서 i는 동일한 측정시간(1~n)을 나타낸다. 식(1)을 이용하여 풀면,
∑Qri x ∑Cri = ∑Qsi x ∑Csi ................................(4)
그런데 실제로 하수관로의 측정지점 상류에 하수관로의 파손이나 손상이 발생하여 이 손상부를 통해 침입수가 관내로 유입되거나 관내의 하수가 외부로 누수 되었다면, 실제 측정한 하수의 총 유량(∑Qri)은 증가거나 감소하고 측정 염소이온농도의 총량(∑Cri) 또한 증가하거나 감소하게 된다.
예를 들어, 하수관로에 손상이 발생하여 측정 하수의 총 유량이 표준 하수의 총 유량에 비해 증가하는 침입수(Qinf)가 발생하였다면, 측정 하수의 총 유량(∑Qri)은 표준 하수의 총 유량(∑Qri)에 손상부위를 통해 관내로 유입된 침입수 총 유량(∑Qinf)을 합한 것과 같으므로 위 식(3)은 다음과 같이 정리할 수 있다.
∑(Qri x Cri) = ∑(Csi x Qsi) + ∑(Cinf x Qinf)..................(5)
여기서, Cinf는 침입수의 염소이온농도이고, Qinf은 침입수의 유량이다.
따라서 측정지점에서 측정되는 측정 염소이온농도의 총량을 구하기 위해서 위 식(5)을 다시 정리하면,
∑Cri = (∑(Csi x Qsi) + ∑(Cinf x Qinf)) ÷ ∑Qri...............(6)
∑Cri = (∑(Csi x Qsi) + ∑(Cinf x Qinf)) ÷ ∑(Qsi + Qinf)......(7)
여기서 ∑Qri = ∑(Qsi + Qinf) 즉, 측정 하수의 총 유량은 표준 하수의 총 유량에 침입수의 총 유량을 합한 것이다.
한편, 하수관로에서 문제가 되는 것은 하수와 같이 오염된 물의 유입이 아니라 하수처리시설에서 문제를 일으키는 자연수와 같이 오염되지 않은 물이다. 따라서 침입수량을 산정할 때는 침입수를 지하수나 우수와 같은 자연수로 간주하고 산정하는 것이 바람직하다. 따라서 상기 식(7)에서도 침입수의 염소이온농도(Cinf)는 '0'인 것으로 가정한다. 이것은 실제 지하수나 우수와 같은 자연수에는 염소이온농도가 극히 적게 포함되어 있다는 점과 일치한다. 또한 하수관로 내부로 침입수가 유입되면 대부분 측정 염소이온농도가 떨어지고 하수의 유량은 증가하는 결과와도 일치한다. 아울러, 침입수의 염소이온농도(Cinf)를 '0'으로 가정하고 침입수량을 산정하여야 침입수량이 최대로 산정되어 하수관로의 유지관리에 유리한 점이 있다.
따라서 위 식(6)을 계속하여 정리하면,
∑Cri = (∑(Csi x Qsi) ÷ ∑(Qsi + Qinf)........................(8)
여기서, ∑(Qsi x Csi) = ∑Ksi이므로 이 식(8)에서 침입수의 총 유량(∑Qinf)을 구하기 위하여 정리하면,
∑Cri = ∑Ksi ÷ ∑(Qsi + Qinf).................................(9)
∑(Qsi + Qinf) x ∑Cri = ∑Ksi...................................(10)
(∑Qsi x ∑Cri) + (∑Qinf x ∑Cri) = ∑Ksi.......................(11)
(∑Qinf x ∑Cri) = ∑Ksi - (∑Qsi x ∑Cri).......................(12)
∑Qinf = (∑Ksi - (∑Qsi x ∑Cri)) ÷ ∑Cri .....................(13)
따라서 측정 염소이온농도가 표준 염소이온농도를 초과하는 시간 동안에 즉, 측정 염소이온농도 그래프가 표준 염소이온농도 그래프와 교차하는 두 지점 사이 동안의 '표준 염소 이온 총량(∑Ksi)'과 '표준 하수 총 유량(∑Qsi)' 및 그 시간 동안에 측정된 '측정 염소이온농도 총량(∑Cri)'을 알면 '침입수량(∑Qinf)'을 구할 수 있다. 여기서, 표준 하수 총 유량(∑Qsi)과 측정 염소이온농도 총량(∑Cri)은 표준그래프와 측정그래프를 비교하여 산정할 수 있고, 표준 염소 이온 총량(∑Ksi)은 물질 수지식 "∑Ksi = ∑Qsi x ∑Csi"으로부터 쉽게 구할 수 있다.
그러므로 측정 염소이온농도 그래프가 표준 염소이온농도 그래프와 교차하는 두 교차점 사이의 시간 동안의 '측정 염소이온농도 총량(∑Cri)' 즉, 측정 염소이온농도의 변동량을 알면 측정 하수의 유량이나 측정 하수의 하수량을 모르더라도 침입수량을 산정할 수 있다.
이어서, 본 발명의 염소이온농도를 이용한 하수관거 모니터링 방법을 달성하기 위한 하수관거 모니터링 시스템의 바람직한 실시 예에 대해서 설명한다.
도 5에서 살펴본 바와 같이, 본 발명의 하수관거 모니터링 시스템은, 하수관거(110)의 동일 측정지점에 설치된 유량센서(10), 염소이온농도센서(20), 그리고 상기 유량센서(20) 및 염소이온농도센서(20)에서 측정한 염소이온농도 및 유량 데이터를 근거로 '측정 염소이온농도 그래프'와 '측정 유량 그래프'를 작성하고, 이것을 '표준 염소이온농도 그래프' 및 '표준 유량 그래프'와 비교하여 분석하는 모니터링 서버(30)를 포함하여 이루어진다. 이때, 상기 유량센서(10)는 하수관거(110)에 설치되어 하수관을 흐르는 하수의 유량을 측정한다. 상기 염소이온농도센서(20)는 상기 유량센서(10)와 동일한 위치에 설치되어 하수 중에 포함되어 있는 염소 이온의 농도를 측정한다.
그리고 일정한 하수처리구역에는 다수의 하수관거(110)가 설치되고 이들 하수관거(110)에는 다수 개의 유량센서(10)와 염소이온농도센서(20)가 설치되어 네트워크를 통해서 모니터링 서버(30)와 연결된다.
상기 유량센서(10)는 유속과 수위를 측정하고 측정된 유속과 수위에 의해 유량을 계산한다. 상기 유량센서(10)는 맨홀에 연결된 하수관의 내부 바닥에 고정되어 도플러 방식이나 전자기 방식으로 유속을 측정하고 초음파나 압력판을 이용하여 수위를 측정한다. 이러한 유량센서(10)는 당업자에게 자명한 다양한 센서들로 대체될 수 있으므로 그 상세한 설명을 생략한다. 따라서 상기 실시 예의 유량센서로 본 발명의 유량센서가 한정되는 것도 아니다.
상기 염소이온농도센서(20)는 하수 중의 염소 이온의 이온활성도에 감응하여 비교 전극과 이온전극 간에 나타나는 전위차를 이용하여 염소 이온의 농도를 측정하는 것이다. 본 발명에 따른 상기 염소이온농도센서는 크게 전위차계, 이온 전극, 비교 전극 및 온도센서로 이루어진다. 상기 전위차계는 이온전극과 비교 전극 간에 발생하는 전위차를 연속하여 측정하기 위한 것으로 이온전극과 비교 전극 간에 발생하는 전위차를 ㎷단위까지 읽을 수 있다. 상기 이온전극은 이온 선택성이 있고, 이온 농도에 비례하여 전위를 발생하는 전극으로, 그 감응 막의 구성에 따라 분석대상 이온이 달라진다. 예를 들어, 염소 이온을 측정하기 위해서 고체 막 전극과 액체 막 전극이 사용된다. 그러나 상기 실시 예의 염소이온농도센서로 본 발명의 염소이온농도센서가 한정되는 것은 아니다.
상기한 모니터링 서버(30)는 다수 개의 유량센서(10) 및 염소이온농도센서(20)와 네트워크로 연결된 다수 개의 컴퓨터 장치로 구현된다.
상기 네트워크는 모니터링 서버(30)가 센서의 정보 데이터를 안정적으로 전송받을 수 있도록 전용선 또는 CDMA(Code Division Multiple Access)망으로 이루어지는 것이 바람직하다. 따라서 상기 유량센서(10)와 염소이온농도센서(20)에서 측정된 측정 데이터는 모니터링 서버(30)에 실시간으로 전송된다.
도 8 및 도 9를 참조하면, 상기 유량센서(10)와 염소이온농도센서(20)는 전원 및 통신부를 구비한 현장 제어반(40)을 통해 모니터링 서버(30)와 연결될 수 있다. 상기 현장 제어반(40)은, 유량센서(10)와 염소이온농도센서(20)에 전원을 공급함과 아울러 이들 센서의 측정신호를 가공하여 모니터링 서버(30)로 전송한다. 또한, 상기 현장 제어반(40)은 모니터링 서버(30)의 요청에 따라 유량 및 염소이온농도 데이터를 모니터링 서버(30)에 제공한다.
도 8을 참조하면, 상기 현장 제어반(40)은 유량센서(10)와 염소이온농도센서(20)에서 실시간으로 측정된 전기신호를 전달받아 디지털데이터로 변환하는 센서접속부(41)와, 상기 센서접속부(41)을 통해 전달받은 데이터를 기초로 유량 및 염소이온농도를 계산하는 측정데이터처리부(42)와, 상기 측정데이터처리부(42)에서 획득한 실시간 유량 및 염소이온농도 데이터를 전달받아 네트워크를 이용하여 상기 모니터링 서버(30)에 전송하는 측정데이터통신부(43)와, 상기 측정데이터처리부(42)에서 획득된 유량 및 염소이온농도 그리고 측정시각 데이터를 제어하는 데이터제어부(45)와, 획득된 유량 및 염소이온농도 그리고 측정 시각에 관한 정보를 저장하는 데이터저장부(44)로 이루어진다. 이때 상기 센서접속부(41)와 측정데이터처리부(42)는 유량과 하수 염소이온농도 데이터를 구분하여 처리할 수 있다. 바람직하게 상기 유량센서(10) 및 염소이온농도센서(20)는 유지관리 대상지역의 하수관거에 설치된 맨홀 중에서 지정된 맨홀들에 각각 설치되고 지정된 맨홀들의 지상에 각각 설치되는 현장 제어반(40)과 연결되어 원격지의 모니터링 서버(30)와 네트워크를 통해 연결된다.
이어, 도 9를 참조하면, 상기 모니터링 서버(30)는, 하수관거에 설치된 유량센서(10)와 염소이온농도센서(20)로부터 유량과 염소이온농도 그리고 측정 시각정보와 자신의 식별정보, 예컨대 측정 위치정보를 수신하는 수신모듈(34)과, 상기 수신모듈(34)을 통해 실시간으로 수신한 유량, 염소이온농도, 측정 시각 및 위치 정보를 이용하여 다양한 시간 간격으로 '측정 염소이온농도 그래프'와 '측정 유량 그래프'를 작성하고, 상기 데이터베이스(33)에 저장된 과거 정상상태의 유량, 염소이온농도, 측정 시각 및 위치 정보를 이용하여 '표준 염소이온농도 그래프'와 '표준 유량 그래프'를 작성하며, 이들 그래프를 비교하여 염소이온농도가 설정된 범위를 벗어나는지를 감시하고, 염소이온농도 변동량과 유량 변동량을 계산하며, 계산된 염소이온농도 변동량과 유량 변동량을 근거로 누수와 침입수의 종류를 판단하고 침입수량을 계산하고, 침입수량이 일정 범위를 초과할 경우에는 관리자에게 경고신호를 발하는 중앙제어서버(35)와, 하수관 직경, 거리 또는 맨홀 위치로 이루어지는 하수관망 정보와 강우설량 이력 정보를 포함하는 하수관망 기초정보를 사용자로부터 입력받고, 사용자의 요청에 따라 유량, 염소이온농도 침입수량 및 각종 그래프를 출력하는 운영자컴퓨터(36)를 포함한다
바람직하게, 상기 수신모듈(34)은, 네트워크를 통해 현장 제어반(40)과 데이터 통신하여 유량, 염소이온농도, 측정 시각 및 위치 정보를 전송받는 통신망접속부(31)와, 상기 통신망접속부(31)를 통해 수신한 유량과 염소이온농도를 위치 정보 및 측정 시각 정보에 따라 분류하고 데이터베이스(33)에 저장하는 데이터수집서버(32)를 포함하여 이루어진다.
그리고 상기 중앙제어서버(35)는 수신된 유량과 염소이온농도를 이용하여 '측정 유량 그래프'와 '측정 염소이온농도 그래프' 또는 '표준 유량 그래프'와 '표준 염소이온농도 그래프'를 작성하는 그래프작성부(131), '측정 염소이온농도 그래프'와 '표준 염소이온농도 그래프'를 비교하여 염소이온농도의 차이와 염소이온농도의 변동량을 산정하고 '측정 유량 그래프'와 '표준 유량 그래프'를 비교하여 하수 유량의 변동량을 산정하며, 상기 염소이온농도의 변동량과 하수 유량 변동량을 근거로 침입수량을 산정하는 분석부(132), 측정된 염소이온농도와 일정시간 동안의 염소이온농도의 변동량 및 침입수량이 미리 설정된 범위를 벗어나는지를 비교하는 비교부(133), 상기 염소이온농도의 변동량과 침입수의 변동량이 일정 범위를 초과할 경우에 경고신호나 경보신호를 발생하는 알람부(135), 측정 유량 그래프 및 측정 염소이온농도 그래프, 표준 유량 그래프 및 표준 염소이온농도 그래프를 표시하거나 하수관망도 상의 위치에 표시하는 모니터(136)를 포함하여 구성된다.
바람직하게, 상기 그래프작성부(131)는, 상기 현장 제어반(40)으로부터 실시간으로 수신되는 유량, 염소이온농도, 측정 시각 및 위치 정보를 이용하여 다양한 시간 간격의 '측정 염소이온농도 그래프'와 '측정 유량 그래프'를 작성하여 표시하는 측정그래프 그래프작성부와, 상기 데이터베이스(33)에 저장된 과거 정상상태의 유량, 염소이온농도, 측정 시각, 위치 정보와 월, 요일, 날씨 등 각종 요인을 고려하여 다양한 시간 간격의 '표준 염소이온농도 그래프'와 '표준 유량 그래프'를 작성하여 상기 그래프저장부(137)에 저장하는 표준그래프 그래프작성부를 포함하여 이루어진다.
또한, 상기 분석부(132)는 '측정 염소이온농도 그래프'와 '표준 염소이온농도 그래프'를 비교하여 염소이온농도의 변동량을 계산하는 농도변동량 분석부와, '측정 유량 그래프'와 '표준 유량 그래프'를 비교하여 하수 유량의 변동량을 계산하는 유량변동량 분석부 및, 상기한 염소이온농도 변동량과 하수 유량 변동량을 근거로 누수 및 침입수의 종류를 판단하고 침입수량을 산정하는 침입수량 분석부를 포함하여 이루어진다.
그리고 상기 비교부(133)는 측정된 염소이온농도가 미리 설정된 염소이온농도의 범위를 벗어나는지를 비교하는 염소이온농도 비교부와, 일정 시간 동안 측정한 염소이온농도의 총량이 미리 설정된 염소이온농도의 총량을 초과하는지를 비교하는 염소이온농도의 총량 비교부와, 일정 시간 동안 측정한 침입수량이 미리 설정된 침입수량을 초과하는 지를 비교하는 침입수량 비교부를 포함하여 이루어진다.
상기 중앙제어서버(35)는 수신된 유량, 염소이온농도, 측정 시각 및 위치정보를 저장하는 데이터베이스(33)를 포함한다. 또한, 상기 중앙제어서버(35)는 상기 데이터베이스(33)에 저장되어 있는 유량 및 염소이온농도를 위치정보와 측정시각에 따라 검색하거나 상기 그래프저장부(137)에 저장되어 있는 표준그래프를 위치정보와 측정시각 또는 요일이나 날씨 정보를 이용하여 검색하는 검색부(138)를 더 포함한다.
또한, 상기 중앙제어서버(35)는 표준 염소이온농도 그래프와 측정 염소이온농도 그래프 그리고 표준 유량 그래프와 측정 유량 그래프의 위상 차를 제거하여 표준 그래프의 패턴과 측정 그래프의 패턴이 일치하도록 정렬하는 그래프 정렬부(134)를 더 포함한다. 상기 그래프 정렬부(134)는 퍼지추론시스템으로, 도 10에 도시된 바와 같이, 상기 퍼지추론시스템()은 인식된 '측정 그래프'의 특징량을 입력신호로 하여 측정 그래프의 패턴을 인식하기 위해 기억된 퍼지 규칙에 따라 퍼지값을 생성하는 제1 퍼지 추론부와, 인식된 '표준 그래프'의 특징량을 입력신호로 하여 표준 그래프의 패턴을 인식하기 위해 기억된 퍼지 규칙에 따라 퍼지값을 생성하는 제2 퍼지 추론부와, 상기 제1 및 제2 추론부에서 각각 생성된 퍼지값을 입력신호로 하여 표준 그래프 패턴과 측정 그래프 패턴의 차이를 인식하기 위해 기억된 퍼지 규칙에 따라 퍼지값을 생성하는 제3 퍼지 추론부로 구성된다. 그리고 상기 그래프정렬부(134)는 상기 제3 퍼지 추론단계에서 생성된 퍼지값을 근거로 표준 그래프를 이동시켜 표준 그래프와 측정 그래프의 위상이 일치하도록 한다.
잘 알려진 바와 같이, 퍼지이론은 불분명한 정보(Fuzziness information)에 대해 수리적으로 취급가능하도록 하는 것으로서, 이것은 전통적인 논리시스템보다 실제 세계의 근사적(Approximate)이고 부정확한 성질(Inexact nature)을 표현하는데 더 효과적이다. 예를 들어 인간이 사용하는 수많은 불분명한 지식, 정보, 논리를 퍼지이론을 이용하여 체계적으로 처리할 수 있다. 이러한 애매한 언어를 취급하기 위한 시스템을 퍼지추론시스템(Fuzzy inference system)이라 하며, 이 퍼지추론시스템이 가지는 주요한 특징은 주어진 정보를 퍼지 분할(Fuzzy partitioning)하는 개념으로서 수치 값(Crisp number)대신 퍼지집합에 기초하여 동작하는데 퍼지집합은 단순한 숫자보다 더 많은 정보를 포함하게 된다.
또한, 상기 중앙제어서버(35)는, 감시대상 하수관망이 설치된 지역의 지리정보를 수치지도 데이터로 저장하는 GIS정보저장부(140), 하수관 직경, 거리 또는 맨홀 위치로 이루어지는 하수관망 정보와 강우설량 이력 정보를 포함하는 하수관망 기초정보를 저장하는 하수관망정보저장부(139)를 더 포함한다.
그리고 상기 중앙제어서버(35)의 중앙제어부(130)는, 설정된 프로그램에 의해 동작하는 하나 이상의 마이크로 프로세서를 포함한다. 이러한 설정된 프로그램은 본 발명의 모니터링 방법을 구현하기 위한 각 단계를 수행하기 위한 각 단계를 수행하기 위한 일련의 명령을 포함한다. 즉, 상기 중앙제어부(130)는 상술한 중앙제어서버(35)의 각종 구성을 전반적으로 제어하는 것으로, 데이터수집서버(32), 데이터베이스(33) 및 운영자컴퓨터(36)와 데이터 전송하며 각 구성들의 동작을 제어한다. 따라서 상기 중앙제어부(130)는 상기 운영자컴퓨터(36)를 통해 하수관망 기초정보를 전달받고 상기 GIS정보저장부(140)에서 수치지도 데이터를 독출하여, 모니터(136)로 하수관망 기초정보를 상기 수치 지도상의 해당 위치에 대응시켜 표출한다.
따라서 본 발명에 따른 염소이온농도를 이용한 하수관거 모니터링 시스템에 있어, 상기 현장 제어반(40)의 데이터제어부(45)는, 측정데이터처리부(42)를 제어하여 센서접속부(41)를 통해 전달받는 실시간 아날로그 신호를 각각 디지털데이터로 변환시키고, 상기 측정데이터처리부(42)를 통해 획득한 유량 및 염소이온농도 데이터를 측정 시각 정보(시각 및 년, 월, 일)와 위치 정보(위?경도나 특정한 코드번호)와 함께 상기 측정데이터통신부(43)를 통해 모니터링 서버(30)로 전송하고, 상기 획득한 실시간 유량, 염소이온농도 및 측정 시각 정보를 미리 설정된 기간 동안 상기 데이터저장부(44)에 저장되도록 하며 설정된 기간이 지난 데이터를 상기 데이터저장부(44)에서 삭제한다. 그리고 상기 데이터제어부(45)는 상기 측정데이터통신부(43)를 통해 모니터링 서버(30)로부터 저장 데이터의 전송을 요청받으면 상기 데이터저장부(44)에서 유량, 염소이온농도 및 측정 시각 정보를 독출하여 상기 측정데이터통신부(43)로 전송하게 한다. 즉, 상기 데이터제어부(45)는 네트워크의 통신장애 또는 상기 모니터링 서버(30) 자체의 시스템 장애가 발생할 경우에 장애 발생기간 동안 전송하지 못한 데이터를 임시 저장하였다가 장애복구 후 재전송할 수 있다.
그리고 상기 데이터베이스(33)는 상기 현장 제어반(40)으로부터 전달받은 실시간 유량, 염소이온농도 및 측정 시각 데이터를 필터링하여 에러데이터를 보정한 후 저장한다. 예를 들어, 하수의 유량과 염소이온농도를 비교하여 하수가 흐르지 않는 상태에서 측정된 염소이온농도와 같은 오류 데이터를 배제시킨다. 그리고 보정된 유량 및 염소이온농도 데이터는 측정 시각 및 위치 정보와 함께 데이터베이스(33)에 저장한다.
그리고 상기 그래프작성부(131)는 상기 현장 제어반(40)으로부터 전달받은 실시간 유량, 염소이온농도 및 측정 시각 데이터를 필터링하여 에러데이터를 보정한 후 다양한 시간 간격의 측정 염소이온농도 그래프를 작성한다. 예를 들어, 도 11a는 분 단위로 작성한 측정 염소이온농도 그래프, 도 11b는 시간단위로 작성한 측정 염소이온농도 그래프, 도 11c는 일 단위로 작성한 측정 염소이온농도 그래프, 도 11d는 주 단위로 작성한 측정 염소이온농도 그래프, 도 11e는 월 단위로 작성한 측정 염소이온농도 그래프의 예를 보여준다.
도시된 바와 같이, 측정 염소이온농도 그래프는 시간 간격이 넓어질수록 변동폭이 작아지고 평균 농도에 근접한다. 또한, 일,주,월,년 등의 시간 간격에 따라 서로 다른 패턴을 보인다. 따라서 본 발명은 다양한 시간 간격으로 '측정 염소이온농도 그래프'와 '표준 염소이온농도 그래프'를 작성하여 대응되는 그래프를 비교하여 분석할 수 있도록 한다. 그러나 이들 그래프는 발명의 이해를 돕기 위해 제시된 예로서, 실제로 측정한 염소이온농도 그래프와 일치하는 것은 아니다.
상기 표준 그래프저장부(137)는 상기 데이터베이스(33)에 저장되어 있는 하수의 유량과 염소이온농도 중에서 과거 정상상태의 유량과 염소이온농도를 그래프로 작성하여 저장한다. 상기 표준 그래프는 일,주,월,년 등의 다양한 시간 간격으로 작성한다. 또한 작성된 표준 그래프는 측정시각과 장소뿐만 아니라 월, 요일, 국경일, 날씨 등과 같은 다양한 검색요소에 따라 분류하여 저장한다. 따라서 '측정 염소이온농도 그래프' 및 '측정 유량 그래프'와 가장 유사한 '표준 염소이온농도 그래프' 및 '표준 유량 그래프'를 검색하여 불러올 수 있도록 한다.
상기 모니터(136)는 '측정 염소이온농도 그래프'를 표시하고, 상기 염소이온농도 그래프의 측정 시간과 위치 정보 그리고 월, 요일, 국경일 및 날씨 등을 근거로 상기 표준그래프저장부(137)에 '표준 염소이온농도 그래프'를 검색하여 함께 표시한다. 상기 모니터(136)에는 일정한 시간 간격으로 작성된 '표준 염소이온농도 그래프'가 표시되고 이에 대응하도록 '측정 염소이온농도 그래프'가 실시간으로 작성된다. 그리고 '측정 염소이온농도 그래프'가 작성되는 동안에 날씨 등 상황이 바뀌면, 상기 검색부(138)는 날씨 변화 등을 고려하여 새로운 '표준 염소이온농도 그래프'를 불러와서 모니터(136)에 표시한다.
상기 표준그래프 정렬부(134)는, 표준 염소이온농도 그래프의 패턴과 측정 염소이온농도 그래프의 패턴을 정확하게 비교하기 위해서 상기 표준 그래프를 시간 축을 따라 좌우로 이동시킨다. 이와 같이 본 발명에 따른 하수관거 모니터링 방법은, 표준 그래프와 측정 그래프를 연속적으로 비교하면서 날씨 등과 같은 상황이 바뀌면 그 날씨 정보를 근거로 유사한 날씨 상황에서 작성된 표준 그래프를 불러와서 표시하고, 표준 그래프와 측정 그래프에 위상 차가 발생하면 표준 그래프를 이동시켜 정렬하는 과정을 반복한다.
한편, 본 발명에 따른 염소이온농도를 이용한 하수관거 모니터링 방법은, 도 6에서 보는 바와 같이, 상기 알람부(135)에서 경보신호가 발생한 경우에 누수 및 침입수가 발생한 측정지점들을 하수관망도에 표시한 후 손상된 하수관을 탐색하는 손상된 하수관 탐색단계(S14)를 더 수행할 수 있다. 도 12를 참조하면, 예를 들어, 다수의 하수관거로 이루어진 하수관망도(100)의 A측정지점에서 침입수의 유입이 확인되고 B측정지점에서는 침입수의 유입이 없는 것으로 확인되었다면, 결국 침입수는 A측정지점과 B측정지점 사이에 있는 (가) 또는 (나) 하수관로를 통해서 유입되고 있는 것으로 추정할 수 있다. 이러한 방식으로 침입수의 유입이 의심되는 하수관거의 하수의 유량과 염소이온농도를 측정함으로써 교체나 수리가 필요한 하수관거를 찾아낼 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 염소이온농도를 이용한 하수관거 모니터링 방법은, 특정한 하수관로에서 침입수가 발생하는 것이 확인된 경우, 하수관로의 어느 지점에서 침입수가 발생하는지를 탐색하는 손상부 탐색단계(S15)가 더 수행될 수 있다. 손상부 탐색단계(S15)는 해당 하수관로의 임의의 두 측정지점(C,D)을 통과하는 염소이온농도를 측정함으로써 침입수가 발생하는 손상부를 찾아낼 수 있다. 예를 들어, D측정지점에서 측정한 염소이온농도와 C측정지점에서 측정한 염소이온농도가 다르면 D측정지점과 C측정지점 사이에서 침입수나 고농도 유기성 폐수의 유입이 있는 것이므로 두 측정지점 사이의 거리를 좁혀가면서 염소이온농도를 측정하면 침입수가 발생하는 위치를 정확하게 찾아낼 수 있다.
이와 같이, 본 발명에 따른 손상된 하수관 탐색단계(S14)와 손상부 탐색단계(S15)를 이용하면, 종래의 육안 조사, 자주차를 투입한 CCTV 조사 또는 음향 조사 등에 비하여 편리하고 비용이 적게 드는 장점이 있다.
이상에서는 현재로서 실질적이라 고려되는 실시 예를 참고로 본 발명을 설명하였으나, 본 발명은 이러한 실시 예에 한정되는 것으로 이해되어서는 안 된다. 오히려, 전술한 본 발명의 실시 예로부터 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 용이하게 변경되어 균등하다고 인정되는 범위의 모든 변경을 포함하는 것으로 해석되어야 한다.
10: 유량센서 20: 염소이온농도센서
30: 모니터링 서버 33: 데이터베이스
34: 수신모듈 35: 중앙제어서버
36: 운영자컴퓨터 40: 현장 제어반
131: 그래프작성부 132: 분석부
133: 비교부 135: 알람부
136: 모니터 137: 표준그래프저장부
138: 검색부 100: 하수관망
110 : 하수관거 또는 하수관

Claims (17)

  1. 유량센서와 염소 이온센서를 이용하여 하수관거의 동일 측정지점을 통과하는 하수의 유량과 염소 이온 농도를 측정하는 측정단계(S1);
    상기 측정단계(S1)에서 측정된 하수의 유량과 염소이온농도를 저장하는 저장단계(S2);
    상기 측정단계(S1)에서 측정된 염소이온농도를 시간에 따른 염소이온농도의 변동을 나타내는 '측정 염소이온농도 그래프'를 작성하는 측정농도그래프 작성단계(S3);
    상기 저장단계(S2)에서 저장된 과거 정상상태의 염소이온농도를 시간에 따른 염소이온농도의 변동을 나타내는 '표준 염소이온농도 그래프'를 작성하는 표준농도그래프 작성단계(S4);
    상기 측정농도그래프 작성단계(S3)에서 작성된 '측정 염소이온농도 그래프'와 상기 표준농도그래프 작성단계(S4)에서 작성된 '표준 염소이온농도 그래프'를 비교하여 표준 염소이온농도의 범위를 벗어나는 시간 동안의 염소이온농도의 총량인 '염소이온농도의 변동량'을 계산하는 농도변동량 산정단계(S5);
    상기 농도변동량 산정단계(S5)에서 산정된 염소이온농도의 변동량이 일정 범위를 초과하는 경우에 경보신호를 발신하는 경보발생단계(S7)를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 염소이온농도를 이용한 하수관거 모니터링 방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 경보발생단계(S7)로부터 경보신호가 수신된 경우 상기 저장단계(S2)에서 저장된 측정 하수의 유량을 근거로 시간에 따른 하수의 유량 변동을 나타내는 '측정 유량 그래프'를 작성하는 측정유량그래프 작성단계(S8);
    상기 저장단계(S2)에서 저장된 과거 정상상태의 유량을 시간에 따른 하수의 유량 변동을 나타내는 '표준 유량 그래프'를 작성하는 표준유량그래프 작성단계(S9);
    상기 측정유량그래프 작성단계(S8)에서 작성된 '측정 유량 그래프'와 상기 표준유량그래프 작성단계(S9)에서 작성된 '표준 유량 그래프'를 비교하여 표준 유량의 범위를 벗어난 시간 동안의 하수 총 유량인 '유량의 변동량'을 계산하는 유량변동량 산정단계(S10);
    상기 농도변동량 산정단계(S5)에서 산정된 염소이온농도의 변동량과 상기 유량변동량 산정단계(S10)에서 산정된 하수 유량의 변동량을 근거로 누수와 침입수의 종류 및 침입수량을 산정하는 누수 및 침입수 분석단계(S11);
    상기 누수 및 침입수 분석단계(S11)의 침입수의 변동량이 일정 범위를 초과하는 경우에 관리자에게 경고신호를 발신하는 경고발생단계(S12)를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 염소이온농도를 이용한 하수관거 모니터링 방법.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 경보발생단계(S12)로부터 경보신호가 수신된 경우에 상기 누수 및 침입수가 발생한 측정지점을 하수관망도에 표시하여 누수 및 침입수가 발생하는 하수관로를 탐색하는 손상된 하수관 탐색단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 염소이온농도를 이용한 하수관거 모니터링 방법.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 손상된 하수관 탐색단계를 통해서 누수 및 침입수가 발생하는 것이 확인된 경우 상기 하수관로의 두 측정지점을 통과하는 하수의 염소이온농도를 측정하고 그 결과에 따라 두 측정지점의 거리를 좁혀가면서 다시 두 측정지점의 염소이온농도를 측정함으로써 두 측정지점 사이의 침입수 발생 위치를 찾아가는 손상부 탐색단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 염소이온농도를 이용한 하수관거 모니터링 방법.
  5. 유량센서와 염소 이온센서를 이용하여 하수관거를 흐르는 하수의 유량과 염소 이온 농도를 측정하는 측정단계(S1)와;
    측정된 하수의 유량과 염소이온농도를 순차적으로 저장하고 과거의 하수의 유량과 염소이온농도를 근거로 시간에 따른 염소이온농도의 평균적인 변동을 나타내는 '표준 유량 그래프'와 '표준 염소이온농도 그래프'를 작성하는 표준그래프 작성단계(S4)와;
    측정된 염소이온농도를 근거로 시간에 따른 염소이온농도의 변동을 나타내는 '측정 염소이온농도 그래프'를 작성하고 작성된 '측정 염소이온농도 그래프'에 대응하는 '표준 염소이온농도 그래프'와 비교하여 표준 염소이온농도의 범위를 벗어난 시간 동안의 염소이온농도의 총량인 '염소이온농도의 변동량'을 계산하는 농도변동량 산정단계(S5)와;
    측정된 하수 유량을 근거로 시간에 따른 유량의 변동을 나타내는 '측정 유량 그래프'를 작성하고 작성된 '측정 유량 그래프'에 대응하는 '표준 유량 그래프'와 비교하여 표준 유량의 범위를 벗어난 시간 동안의 하수의 총 유량인 '하수 유량의 변동량'을 계산하는 유량변동량 산정단계(S9)와;
    상기 염소이온농도의 변동량과 하수 유량 변동량을 근거로 침입수의 종류와 누수량 또는 침입수량을 산정하는 누수 및 침입수 분석단계(S11)를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 염소이온농도를 이용한 하수관거 모니터링 방법.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 표준그래프 작성단계(S4)는, 측정된 하수의 유량과 염소이온농도의 데이터를 순차적으로 저장하는 데이터 저장단계;
    하수관로가 손상되기 전 과거 일정 기간의 하수 유량과 염소이온농도를 근거로 시간에 따른 하수의 유량과 염소이온농도의 변동을 나타내는 '표준 유량 그래프'와 '표준 염소이온농도 그래프'를 작성하여 저장하는 그래프 저장단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 염소이온농도를 이용한 하수관거 모니터링 방법.
  7. 제 5항에 있어서,
    상기 농도변동량 산정단계(S5)는, 측정된 염소이온농도를 근거로 시간에 따른 염소이온농도의 변동을 나타내는 '측정 염소이온농도 그래프'를 작성하는 측정농도그래프 작성단계;
    작성된 '측정 염소이온농도 그래프'와 이에 대응하는 '표준 염소이온농도 그래프'를 비교하는 농도비교단계와;
    측정 염소이온농도 그래프'와 '표준 염소이온농도 그래프'를 비교하여 표준 염소이온농도의 범위를 벗어난 시간 동안의 염소이온농도의 총량이 염소이온농도의 변동량이 미리 설정된 범위를 초과하는 경우에 경보신호를 발생하는 경보단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 염소이온농도를 이용한 하수관거 모니터링 방법.
  8. 제 5항에 있어서,
    상기 유량변동 산정단계(S9)는,
    측정된 하수 유량을 근거로 시간에 따른 하수 유량의 변동을 나타내는 '측정 유량 그래프'를 작성하는 측정유량그래프 작성단계;
    작성된 '측정 유량 그래프'와 이에 대응하는 '표준 유량 그래프'를 비교하는 유량비교단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 염소이온농도를 이용한 하수관거 모니터링 방법.
  9. 제 5항에 있어서,
    상기 농도변동량 산정단계와 유량변동 산정단계는, '측정 염소이온농도 그래프'와 '측정 유량 그래프'와 대응하는 '표준 염소이온농도 그래프'와 '표준 유량 그래프'를 측정 시각과 측정 위치정보 및 요일, 날씨 등의 검색조건을 이용하여 검색하는 표준그래프 검색단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 염소이온농도를 이용한 하수관거 모니터링 방법.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 농도변동량 산정단계와 유량변동 산정단계는, 검색된 '표준 염소이온농도 그래프'와 '표준 유량 그래프'를 '측정 염소이온농도 그래프'와 '측정 유량 그래프'와 대비하기 위해서 표준 염소이온농도 그래프 및 표준 유량 그래프를 시간 축 방향으로 이동시켜 '측정 염소이온농도 그래프' 및 '측정 유량 그래프'와 최대한 근사한 패턴을 형성하도록 하는 표준그래프 정렬단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 염소이온농도를 이용한 하수관거 모니터링 방법.
  11. 하수관거에 설치되어 하수관거를 통과하는 하수의 유량을 측정하는 유량센서와;
    상기 유량센서가 설치된 하수관거의 동일 위치에 설치되어 하수관거를 통과하는 하수의 염소이온농도를 측정하는 염소이온농도센서와;
    상기 유량센서와 염소이온농도센서에서 측정한 염소이온농도 및 유량 데이터를 근거로 과거 하수관거에 이상이 발생하기 전 일정 기간 동안에 측정된 염소이온농도를 근거로 표준 염소이온농도 그래프를 작성하고, 실시간으로 측정된 염소이온농도를 근거로 측정 염소이온농도 그래프를 작성하며, 상기 측정 염소이온농도 그래프를 상기 표준 염소이온농도 그래프와 비교하여, 측정 염소이온농도가 표준 염소이온농도에서 얼마나 벗어나는 지를 분석하고, 측정 염소이온농도가 표준 염소이온농도의 설정범위를 벗어나는 경우 설정범위를 벗어난 기간 동안의 염소이온농도의 총량을 구하여 염소이온농도의 변화량을 산정하고, 상기 염소이온농도의 변화량이 설정된 변화량을 초과할 경우에는 과거 하수관거에 이상이 발생하기 전 일정 기간 동안에 측정된 유량을 근거로 표준 유량 그래프를 작성하고, 실시간으로 측정된 유량을 근거로 측정 유량 그래프를 작성한 후 이들을 비교하여 상기한 측정 염소이온농도가 표준 염소이온농도의 설정범위를 벗어난 기간 동안의 하수 총량 즉 유량의 변화량을 산정하며, 상기한 염소이온농도의 변화량과 유량의 변화량을 근거로 침입수의 종류와 누수 및 침입수량을 산정함과 아울러 상기 침입수량이 일정 범위를 초과할 경고신호를 발생하는 모니터링 서버를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 염소이온농도를 이용한 하수관거 모니터링 시스템.
  12. 제 11항에 있어서,
    상기 모니터링 서버는, 상기 하수관거에 설치된 유량센서와 염소이온농도센서로부터 유량과 염소이온농도 및 측정 시각정보와 측정 위치정보를 수신하고 수신한 유량과 염소이온농도 데이터를 데이터베이스에 저장하는 수신모듈과;
    실시간으로 수신한 유량, 염소이온농도, 측정 시각 및 위치 정보를 이용하여 다양한 시간 간격의 '측정 염소이온농도 그래프'와 '측정 유량 그래프'를 작성하고, 데이터베이스에 저장된 과거 일정 기간의 유량, 염소이온농도, 측정 시각 및 위치 정보를 이용하여 '표준 염소이온농도 그래프'와 '표준 유량 그래프'를 작성하고 이들을 비교하여, 염소이온농도의 변동량과 유량의 변동량을 산정하며, 상기 염소이온농도 변동량과 유량 변동량을 근거로 침입수의 변동량을 산정하고 그 변동량이 기준 범위를 넘을 경우에는 경고신호를 발신하는 중앙제어서버와;
    하수관 직경, 거리 또는 맨홀 위치로 이루어지는 하수관망 정보와 강우설량 이력 정보를 포함하는 하수관망 기초정보를 사용자로부터 입력받고, 사용자의 요청에 따라 유량, 염소이온농도 침입수량 및 각종 그래프를 출력하는 운영자컴퓨터를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 염소이온농도를 이용한 하수관거 모니터링 시스템,
  13. 제 11항에 있어서,
    상기 수신모듈은, 네트워크를 통해 측정된 유량과 염소이온농도 그리고 측정시각과 측정장소에 관한 정보를 전송받는 통신망접속부와 상기 통신망접속부를 통해 수신한 유량 및 염소이온농도를 위치 정보 및 측정 시각 정보에 따라 분류하여 데이터베이스에 저장하는 데이터수집서버로 이루어지는 것을 특징으로 하는 염소이온농도를 이용한 하수관거 모니터링 시스템.
  14. 제 11항에 있어서,
    상기 중앙제어서버는 수신된 유량과 염소이온농도를 이용하여 하수 측정 유량 그랙프와 측정 염소이온농도 그래프 또는 표준 유량 그래프와 표준 염소이온농도 그래프를 작성하는 그래프작성부와,
    상기 '측정 염소이온농도 그래프'와 '표준 염소이온농도 그래프'를 비교하여 염소이온농도의 변동량을 계산하고 '측정 유량 그래프'와 '표준 유량 그래프'를 비교하여 하수 유량의 변동량을 계산하고 상기한 염소이온농도 변동량과 하수 유량 변동량을 근거로 침입수의 여부와 침입수량을 산정하고 침입수량이 일정 범위를 넘을 경우에는 경고신호를 발생하는 분석부와,
    상기 염소이온농도의 변동량과 침입수의 변동량이 일정 범위를 초과할 경우에 경보신호를 발생하는 알람부를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 염소이온농도를 이용한 하수관거 모니터링 시스템.
  15. 제 11항에 있어서,
    상기 중앙제어서버는, 상기 데이터베이스에 저장되어 있는 유량 및 염소이온농도를 위치정보와 측정시각에 따라 검색하거나, 표준그래프 저장부에 저장되어 있는 표준그래프를 위치정보와 측정시각 또는 요일이나 날씨정보를 이용하여 검색하는 검색부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 염소이온농도를 이용한 하수관거 모니터링 시스템.
  16. 제 15항에 있어서,
    상기 중앙제어서버는, 상기 표준 염소이온농도 그래프와 측정 염소이온농도 그래프 그리고 표준 유량 그래프와 측정 유량 그래프를 서로 비교할 때 표준 그래프가 측정 그래프와 가장 근사하게 배치되도록 표준 그래프의 위치를 조정하는 그래프정렬부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 염소이온농도를 이용한 하수관거 모니터링 시스템.
  17. 제 16항에 있어서,
    상기 그래프정렬부는 인식된 '측정 그래프'의 특징량을 입력신호로 하여 측정 그래프의 패턴을 인식하기 위해 기억된 퍼지 규칙에 따라 퍼지값을 생성하는 제1 퍼지 추론부와, 인식된 '표준 그래프'의 특징량을 입력신호로 하여 표준 그래프의 패턴을 인식하기 위해 기억된 퍼지 규칙에 따라 퍼지값을 생성하는 제2 퍼지 추론부와, 상기 제1 및 제2 추론부에서 각각 생성된 퍼지값을 입력신호로 하여 표준 그래프 패턴과 측정 그래프 패턴의 차이를 인식하기 위해 기억된 퍼지 규칙에 따라 퍼지값을 생성하는 제3 퍼지 추론부로 구성된 퍼지추론시스템으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 염소이온농도를 이용한 하수관거 모니터링 시스템.
KR1020100092070A 2010-09-17 2010-09-17 염소이온농도를 이용한 하수관거 모니터링 방법 및 이를 위한 모니터링 시스템 KR101213251B1 (ko)

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