[SWG_특별기고문]기후변화 대비 4차 산업혁명과 스마트워터그리드 > 뉴스레터

본문 바로가기
 


공지사항
학회일정
뉴스레터
학회동정
회원동정
학회관련사진
학회관련기사
 

[SWG_특별기고문]기후변화 대비 4차 산업혁명과 스마트워터그리드

페이지 정보

작성자 SWG학회 작성일18-05-24 10:00 조회526회

본문

기후변화 대비 4차 산업혁명과 스마트워터그리드



b5f59fc888bffb645500c061ea8b9a90_1527123769_8729.png 

장 석 환1)
한국스마트워터그리드학회 부회장
대진대학교 건설시스템공학과 교수


오 지 환2)
대진대학교 토목환경공학과 박사

1. 서론

 기후변화에 따라 수자원시스템의 변화와 도시화로 인한 물 부족은 전 세계적인 문제로 인식되고 있으며, 현재의 물 관리 시스템으로 감당하기 어려운 상황이 올 것으로 전문가들은 예상하고 있다. 이러한 물 수요와 공급의 불균형은 수자원의 양적인 부족에만 기인하는 것이 아니라 기존 물 관리 시설의 비효율성에도 상당한 원인이 있다. 우리나라는 1980년대에 낙동강 원수를 정수해서 공급한 수돗물에서 페놀이 검출되는 ‘낙동강 페놀사태’를 계기로, 전국의 상하수도 시설 보급이 세계적으로 그 유례를 보기 힘들 정도로 급속도로 진행되었으며, 정부 주도적인 사업 추진으로 상하수도를 중심으로 한 물 산업 또한 급속도로 팽창할 수 있었다. 그러나 국내 물 관리 시스템은 물 수요량에 대한 실시간 관리가 불가능하여 수요와 공급의 불균형을 초래하고, 시설 가동의 효율성이 낮은 문제를 가지고 있으며, 부식 및 파손 등에 의한 누수로 물의 생산과 수송에 드는 에너지 과다 사용도 문제로 지적되고 있다.

 이와 같은 기후변화, 기존 물 관리 시스템, 물 부족 등에 대한 문제를 해결하기 위해 해수 담수화 및 하·폐수 재이용 등 대체 수자원 활용도를 높이고, 도시 침수에 취약한 부분을 보완하여 사전에 대비하는 지능적 물 관리 체계인 ‘스마트 워터 그리드(Smart Water Grid)’가 요구되고 있다.


2. 4차 산업혁명 시대의 국내 수자원 관리 동향

 2.1 4차 산업혁명과 물관리

 4차 산업혁명은 지능과 정보기술이 결합된 제2차 정보혁명이라고도 하며, 사람과 사물, 공간을 초 연결(Hyperconnectivity)하고 초 지능화(Super-intelligence)를 통하여 모든 과정이 자동화(Mass Automation) 되어 처리되는 사회시스템의 혁신을 말한다. 이는 2015년부터 여러 도서를 통해 알려지기 시작한 후, 2016년 다보스포럼에서 언급되기 시작하였다. 대체로 기계 학습과 인공지능의 발달이 주요 수단으로 꼽히지만, 현재까지는 정확한 정의는 존재하지 않는다. 4차 산업혁명은 인공지능(AI), 사물 인터넷(IoT), 클라우드 컴퓨팅, 빅데이터, 모바일 등 지능정보기술이 기존 산업과 서비스에 융합되거나 3D 프린팅, 로봇공학, 생명공학, 나노기술 등 여러 분야의 신기술과 결합되어 실세계 모든 제품·서비스를 네트워크로 연결하고 사물을 지능화 한다.


b5f59fc888bffb645500c061ea8b9a90_1527124011_8389.png


 <그림 1> 단계별 산업혁명(미래창조과학부 블로그)


 국내 한국수자원공사(K-water)에서는 2016년 1월 빅데이터와 지리정보시스템(GIS)을 활용한 물정보포털(Mywater)을 통해 K-water에서 생산하는 운영관측 자료와 국내·외 기관의 웹사이트, 전용망 및 공공데이터 포털(OPEN API) 등을 통하여 수집된 세계 물정보, 재해 안전, 통계정보 및 실제 시설물을 운영할 경우, 계측되는 관측 자료를 실시간으로 제공하여 누구나 활용할 수 있도록 하였다. 또한 2018년 국토교통부에서는 주요 추진계획으로 ICT(Information and Communication Technology)를 접목한 수량·수질의 실시간 관리와 드론을 통한 하천 측량 등을 도입 예정이라고 발표하였다. 드론을 통해 관리가 된다면 실시간 홍수상황 모니터링, 초분광센서를 통한 녹조해결 등 체계적이고 과학적인 방식의 도입으로 수문 운영과 관리 분야에서 실무자의 의사결정을 도울 것으로 예상된다.


 b5f59fc888bffb645500c061ea8b9a90_1527124189_7547.png 

 b5f59fc888bffb645500c061ea8b9a90_1527124197_1922.png 

 (a) Mywater 콘텐츠 현황 (K-water)

 (a) Mywater 콘텐츠 현황 (K-water)


                                           <그림 2> 4차 산업혁명과 물 관리

2.2 통합 물 관리

 우리나라는 1,277㎜로 세계평균의 1.6배 이지만, 좁은 국토에 사람이 많이 살고 있어 1인당 강수총량은 세계평균의 1/6로 기본적으로 가용수자원이 적은 물 스트레스 국가이다(국토해양부, 2011). 더욱이 연도별, 시기별 및 지역별 강수량의 편차가 커, 매년 가뭄과 홍수의 걱정 속에 살고 있는 전 세계적으로 몇 손가락에 들어가는 물 관리 여건이 매우 불리한 국가 중 하나로 기존 수자원의 효율적 활용의 중요성이 무엇보다 중요한 시점에 직면해 있다. 통합 물 관리 이전 환경부는 수질, 국토교통부는 수량, 농림축산식품부는 농업용수, 산업통장자원부는 발전용수를 담당하였지만, 최근 환경부를 중심으로 물 산업의 효율성과 단일 조직 및 계획을 제고하기 위해 최근 통합 물 관리를 추진하고 있다.


 통합 물 관리의 비전은 “지속가능한 통합 물 관리”를 주제로 수량·수질·재해 예방이 하나의 일관된 체계로 균형 잡힌 물 관리를 목표로 하였다. 이러한 모든 정보를 통합 관리하여 재해 예측·예방 능력을 향상 시켜 자연과 인간이 공전하는 환경을 조성하여 맑은 물을 확보하고 건강한 물 순환체계를 실현시키며, 지역 주민과 전문가들이 직접 지역의 물 관리에 참여하는 의사결정체계를 구축한다고 하였다.



 

b5f59fc888bffb645500c061ea8b9a90_1527124539_5255.png


 

b5f59fc888bffb645500c061ea8b9a90_1527124548_5586.png


 (a) 통합 물 관리 비전과 목표

 (b) 유역별 통합 물 관리 목표


                                    <그림 3> 환경부의 통합 물 관리 목표(2018, 환경부)

 2.3 스마트 워터 그리드

 스마트 워터 그리드는 효율성이 낮고 자원의 재이용과 다양한 수자원을 이용하기 어려운 기존 수자원망에 최신 ICT/IoT 기술을 도입하여 수자원관리, 물 공급, 물 사용의 정보화와 지능화를 이루기 위한 기술이다. 여기서 스마트가 갖는 의미는 측정, 모니터링, 모델링, 운영관리에 있어 실시간 데이터를 취합한 후 과거 자료와의 비교를 통해 지능적으로 실제 자료를 분석하여 의사결정과정을 가시화하여 보여주는 시스템이다(2012, 강민구). 즉, ICT를 활용하여 실시간으로 물 수요를 분석·예측해 물 관리를 효율적으로 하는 토탈(total) 물 관리 시스템이다.

b5f59fc888bffb645500c061ea8b9a90_1527124841_642.png

 

<그림 4> 스마트워터그리드 개념(최계운, 2013)


 물 부족에 효과적으로 대응하기 위해서 지역 수자원관리 실무자가 당시 상태를 상시적으로 파악하여 사전에 감지·전파하여 피해를 예방하고, 다중 수자원을 최적 활용하여 물 부족 피해를 저감하며, 대상 지역을 물 부족 피해로부터 신속히 회복시켜 지역의 안정적인 수자원 확보와 수자원 이용의 효율성을 향상시킨다. 또한 ICT기술을 접목한 센서 설치를 통해 용수 사용량 정보와 누수발생경보를 사용자들에게 실시간으로 제공할 수 있다.


b5f59fc888bffb645500c061ea8b9a90_1527124894_6335.png


<그림 5> 스마트워터그리드의 예

3. 스마트 워터 그리드 적용방안

 인구증가 속도에 비해 도시의 인구 증가가 더욱 빠르게 진행되고 있다. 시장전문조사기관인 네비건트 리서치에 따르면 1960년 대비 2010년 전 세계 인구는 233% 증가한 반면에 도시인구 증가는 70%나 된다. 이 자료는 인구증가와  함께 도시인구 유입의 증가가 동시에 진행하고 있음을 보여준다. 이 결과로 현재 전 세계인구의 50%가 도시에 거주하게 되었고 전 세계 자원의 70-80%가 도시에서 소모되고 있다. 다시 말해 물과 같은 자원이 도시에서 주로 소비되고 있는 셈이다. 물과 같은 자원들은 이동성의 특징을 가지고 있지 않으면 고정적이다. 사람들은 지리를 벗어나 쉽게 이동할 수 있지만 물은 그렇지 않다. 따라서 특정 지역의 자원은 고정적일 수밖에 없다. 물론 강수와 같이 자연적인 현상이 여러 지역의 물을 이동시키지만 그 양은 극히 적다. 그렇기 때문에 물의 양은 지역 내에서는 고정불변의 법칙을 갖는다. 만약 특정 지역에 인구 집중이 된다면 소모성 자원은 고정적일 수밖에 없기 때문에 자원부족 문제를 겪을 수밖에 없다.

 이에 현재 상·하수도 등을 포함한 수도 관련 사회기반시설이 갖추어진 상태에서는 물의 효율적인 관리·운영 방안이 중요한 상황이며, 기존 물 관리 시스템과 ICT/IoT기술을 융합한 스마트 워터 그리드 도입이 필요하다. 다시 말해 스마트 워터 그리드는 ICT/IoT기술을 활용하여 수자원 관리, 물의 생산과 수송, 사용한 물의 처리 및 재이용 등 관리시스템 전체의 정보화와 지능화를 구현한 것을 말한다.


 따라서 스마트 워터 그리드는 센서의 정보를 측정하여 이를 통합한다. 그리고 통합한 정보를 바탕으로 분석하여 최적화 된 물 관리 방법 및 시스템을 자동화 하여 스스로 최적화 운영을 할 수 있다. 상‧하수도를 포함한 수도관련 사회기반시설이 갖추어진 현재 시점에 시설의 효과적인 운영관리에 초점을 맞춘 정책이 마련되어야 하며, 통합적 도시물 관리 체계 및 스마트 워터 그리드 도입을 통하여 도시안전에 기여해야 한다. 


b5f59fc888bffb645500c061ea8b9a90_1527125049_471.png


<그림 6> 스마트 워터 그리드 적용 예시

4. 결론

 기후변화에 따른 가뭄, 홍수 등의 자연재해 발생에 따라 수질, 물 부족 문제, 도시 침수 등 많은 피해가 발생할 수 있다. 또한 인구 밀도의 증가로 물과 같은 소모성 자원의 부족 문제가 심각해지고 있다. 따라서 기후변화 따른 용수공급 및 재해 방지를 고려한 종합적인 물 관리가 필요하다. 기존의 상·하수도 시스템에 ICT/IoT기술을 융합한 실시간 스마트 워터 그리드 센서 도입으로 물 부족 문제와 수질개선을 해야 하며, 누수발생경보 및 용수사용량, 수질오염 정보 등을 사용자들에게 제공하여 수질에 대한 안전과 용수 절약의식을 고취시켜야 한다. 그리고 이러한 문제를 실시간으로 탐지 및 측정하여 유량, 수압 및 누수 등을 조기에 발견하고 조치할 수 있는 시스템을 갖추어야 한다.


5. 참고문헌


강민구, 박성제(2012), 미래 수자원 전망을 고려한 스마트 워터 그리드 도입 방안, 한국수자원학회, pp. 785~789.

국토교통부(2011), 수자원장기종합계획(2011~2020).


김성준 외 2명(2017), 4차 산업혁명시대의‘국내수자원 지식화’전략, Water for Future, vol.50, no9, pp. 48~55.


김형수(2011), 미래 지능형 스마트 워터 그리드, 한국수자원학회지, 제44권, 제8호, pp. 10~13.


박재영(2017), [MyWater] 빅데이터 기반의 국내 대표 물포털, Water for Future, vol.50, no.30, pp. 82~87.


서울특별시(2017), 서울시, 국내 최초로 물 순환 지수 도입해 도시 물 관리 새 지평 연다, 보도자료


스마트워터그리드 연구단(2013), Smart Water Grid


이상호(2015), 글로벌 경쟁, 스마트 물 서비스, Journal of Water Policy & Economy, 제24호, pp. 5~14.


임정일, 김용운, 김형준, 손승원(2014), 스마트 워터 그리드 기술개발 및 표준화 동향, 전자통신 동향분석, pp.87~96.


장석환(2018), 기후변화 대비 4차 산업혁명 활용 스마트 워터 그리드(Smart Water Grid), 미래브리핑, 제 8 호.


최계운(2013), Research on Smart Water Grid.


최병만(2017), 제 4차 산업혁명과 스마트 물 관리, SWG특별기고문.


최영준(2015), 서울의 물 관리 정책, 서울정책아카이브.


한겨례(2009), 서울 인구밀도 뉴욕8배‧도쿄3배, 보도자료.


한국수자원학회(2017), 4차 산업혁명에 대비한 물 관리 선진화방안 연구.