폭우 관리 시스템의 예측 실시간 제어 최적화

초록

본 논문은 폭우 저류지를 대상으로 예측 기반 실시간 제어(PRTC) 모델을 구축하여 급격한 유량 변동을 완화하고, 건조기에는 퇴적물 관리 규칙을 적용해 방류수의 수질을 향상시키는 방법을 제시한다. 정적 운영 전략에 비해 수량·수질 성능이 동시에 개선되는 것을 실험적으로 입증한다.

상세 분석

이 연구는 도시화로 인한 급격한 강우와 토지불투수성 증가가 하천 유역의 급격한 수위 변동과 오염물질 급증을 초래한다는 배경에서 출발한다. 기존의 폭우 저류지는 설계 용량에 따라 물을 저장하고 서서히 방류하는 수동형 구조가 대부분이며, 실시간 수문 개폐나 펌프 제어와 같은 동적 관리가 제한적이다. 논문은 이러한 한계를 극복하기 위해 두 가지 핵심 요소를 결합한다. 첫째, 기상 예보와 현재 저류지 상태를 입력으로 하는 예측 모델을 기반으로 한 실시간 최적 제어(Predictive Real‑Time Control, PRTC)를 도입한다. 이 모델은 시계열 강우 예측을 활용해 향후 몇 시간 동안의 유입량을 추정하고, 저류지 수위와 방류량을 동시에 최적화한다. 목적 함수는 급격한 유량 변화(수압 충격)를 최소화하면서도 저류지 용량을 효율적으로 활용하도록 설계되었으며, 제약 조건에는 저류지 최대·최소 수위, 방류구 물리적 한계, 그리고 환경 규제 기준이 포함된다. 둘째, 건조기에는 퇴적된 토양·입자를 재배출하거나 재활용하기 위한 규칙 기반 제어를 추가한다. 이는 퇴적물 축적으로 인한 저장 용량 감소와 방류수의 탁도 악화를 방지하기 위한 것으로, 퇴적물 양을 실시간 모니터링하고 일정 임계치를 초과하면 급방류 혹은 세척 작동을 트리거한다. 두 제어 로직은 선형·정수 혼합 최적화(MILP) 형태로 구현되어, 상용 솔버를 이용해 수 초 내에 최적 해를 도출한다. 실험 결과는 시뮬레이션 기반 검증과 실제 현장 파일럿 테스트 두 단계로 이루어졌으며, PRTC 적용 시 피크 유량이 평균 22 % 감소하고, 방류수 탁도는 15 % 개선되었다. 정적 전략 대비 물량·수질 모두에서 동시 향상이 가능함을 입증한다. 이와 같은 접근은 스마트 시티 인프라와 연계해 자동화된 물 관리 플랫폼으로 확장될 수 있으며, 기후 변화에 따른 극단 강우 대응 능력을 크게 향상시킨다.