– 가상공간에 현실과 동일한 3D모델 구축해 정수처리 시스템 분석·진단·예측 기술
– 눈에 보이지 않는 물 흐름·세기, 정체 지역, 체류시간 등 가시화해 결과 제시
– 정수처리공정 효율 개선, 시설물 안전성 향상, 작업자 안전환경 개선 등 기대
– 실제 배수지 등 총 8개 적용해 공정효율 개선…향후 정수센터 정비사업에 적극 적용
□ 서울시가 사이버 가상공간에 현실과 동일한 3D 정수센터를 만들어 정수처리와 시설물을 정확하게 분석·진단하고 모의실험을 통해 최적의 해결책을 도출하는 ‘디지털 트윈 기반 정수처리 시스템 개량 기술’을 자체 개발했다. 최고의 품질 아리수를 생산하는데 활용한다는 목표다.
○ 3D 시뮬레이션을 전공한 연구사 등이 2019년부터 약 3년간 기술개발에 참여했다. 연구사들이 직접 디지털 트윈 제작 프로그램을 이용해 서울시 정수센터 특성에 꼭 맞는 모델을 자체 개발했다.
○ ‘디지털 트윈’(Digital Twin)은 가상공간에 실물과 똑같은 물체를 만들어 모의실험을 통해 현실에서 발생할 수 있는 다양한 결과를 사전에 예측하고 검증해 보는 기술을 말한다.
□ 사이버 공간에 정밀 3D 모델을 구축하고, 물의 흐름·세기, 약품 농도분포 등 현장의 수질·공정정보 빅데이터 분석 결과를 입력하면 컴퓨터 유체 해석을 통해 다양한 모의실험(시뮬레이션) 결과를 도출하는 기술이다. 눈에 보이지 않는 물의 흐름·세기, 정체 지역, 체류시간 등을 색깔과 선 등으로 정밀하게 가시화해 예측 결과를 제시한다.
○ 컴퓨터 유체 해석(CFD, Computational Fluid Dynamics)은 유체역학의 문제를 수치적으로 풀어 눈에 보이지 않는 물, 공기의 흐름 등을 시각화해 보여주는 것을 말한다.
□ 수돗물을 생산하는 정수센터는 다양하고 복잡한 공정들이 유기적으로 연결돼 있어, 공정상 문제에 대비하고 효율을 높이기 위해서는 무엇보다 정확한 분석·진단·예측이 필요하다.
○ 정확한 성능 예측 없이 아이디어만으로 공사를 진행할 경우, 효율이 떨어지거나 공사비용이 증가될 수 있다는 문제가 있다.
□ 이 기술을 활용하면 현장에서 겪을 수 있는 다양한 시행착오를 최소화하면서 시설물을 효율적으로 관리하고 정수처리 공정을 최적화해 안전한 수돗물을 생산할 수 있다. 또한 예산절감은 물론 최근 중대재해처벌법 시행과 관련해 시설물 안전성 향상에도 기여할 수 있을 것으로 기대된다.
○ 현장의 설비나 구조물 개선공사에 대한 사전 시뮬레이션을 통해 시설물 안전사고를 예방하고, 작업자의 안전 환경을 개선하는데도 활용할 수 있다.
□ 예컨대, 시설물이 노후되어 개량이 필요할 때, 정수처리 공정 효율성을 높이기 위해 새로운 시설물을 설치해야 할 때 가상공간에서 모의실험을 해보고 그 결과를 도출해 현장에 적용할 수 있다.
□ 서울시는 실제 현장에서 이 기술을 적용해 성공적으로 운영하고 있다.기술개발을 시작한 2019년부터 지난해까지 3년간 정수센터, 배수지 등 총 8건의 상수도 시설개선 및 공정진단에 활용해 공정효율을 개선하고 안전성도 향상시켰다.
○ 예컨대, 정수지의 물 흐름 개선을 위해 설치하는 ‘도류벽’ 등의 구조물을 효율적으로 배치하는 방법, 염소 주입 설비의 이중화 방안 등을 제안해 시설물과 정수공정의 안전성을 크게 향상시켰다.
▴ 뚝도아리수정수센터의 염소 혼화 시설물 안전성 개선사례
□ 서울시는 향후 시의 각종 정수센터 정비 사업에 해당 기술을 적극 적용할 계획이다. 아울러 올해에는 디지털 트윈 기술로 물 속 이물질(탁질)을 정확히 분석하고 해석할 수 있는 ‘입자 해석 시스템’을 도입할 예정이다.
□ 손정수 서울물연구원장은 “연구원이 확보한 선도기술을 다양한 상수도 분야에 확대 적용해 시설물의 안전성 및 효율성을 높일 수 있을 것으로 기대하고 있다”며 “향후 상수도 분야에서도 4차 산업 기술을 활용한 신기술을 선제적으로 확보하고 개발할 수 있도록 관련 전문가를 육성하고 적극 지원하겠다”고 말했다.
붙임 1
디지털 트윈 기반 정수처리시스템 구축절차
사이버 공간에 현장과 동일한 3D 정수처리공정 모델을 구축하여 수질·공정 정보 연결 및 시뮬레이션 기술(CFD)을 이용하여 정수공정 개량에 활용
《 디지털 트윈 기반 정수처리시스템 구축절차 》
▪ (정밀 3D 설계) 사이버 공간에 시뮬레이션 전용 캐드 프로그램, 상수도사업본부 3D GIS 등을 활용하여 현장과 동일한 3D 정수처리공정 모델 구축
▪ (수질 및 공정정보 연결) 서울워터나우의 수질정보, 제어시스템 공정정보를 활용하여 3D 모델에 관련정보를 입력하여 디지털 모델 완성
▪ (시뮬레이션, CFD) 정밀 전산유체 시뮬레이션 프로그램(CFD)을 활용하여 눈으로 보기 어려운 물의 흐름, 염소농도 분포를 정밀하게 가시화
▪ (현장실험, 공정최적화) 상황에 따라 시뮬레이션 해석결과를 현장과 비교 및
시뮬레이션 해석결과를 현장에 반영하여 공정 최적화, 시설물 안전성 향상
《 디지털 트윈 현장 활용사례 》
▪ (최적설계) 정수지, 배수지 최적설계로 효율향상, 안전성 개선, 예산절감
▪ (공정운영 최적화) 오존접촉조, 침전지 구조분석을 통한 맞춤형 성능인자 제공
▪ (시설물 안전성 개선) 후염소 혼화설비 이중화 및 기포저감을 통한 효율개선, 안전성 향상
《 디지털 트윈 현장 적용예시(시나리오) 》
서울시 뚝도정수센터에 근무하는 공사담당 A주무관은 수로에 설치한 시설물에 균열이 있음을 확인했다. 그 수로의 시설물은 소독제로 사용하는 염소와 물을 혼화시켜 주는 역할을 하는 것이어서 단순히 교체만 한다고 되는 일이 아니었다. 설계 도면을 아무리 보아도 앞으로 어떻게 공사를 해야 될지 몰라 서울물연구원에 의뢰하였다.
서울물연구원의 3D 디지털 전문가인 김태균 박사는 A주무관으로부터 연락을 받고 수로의 시설도면과 현장 사진을 요청했다. 2D 도면상에 있는 길이, 폭, 수위, 유량, 염소농도 등의 수치 값을 컴퓨터에 입력하자 컴퓨터 화면에 사진과 쌍둥이 같은 3D 가상현실이 나타난다. 시설물 위치에 따른 각 지점별 물의 흐름, 세기가 표시되고 염소와의 혼화정도(빨간색:강, 파란색:약)가 입체적인 동영상으로 표현된다.
다양한 시뮬레이션 결과, 기존의 수로 시설물은 물의 압력을 견디지 못하는 것으로 예측되었다. 기존 시설물을 보강하고 대신 빠른 물살로부터 압력이 최소화되는 약품 주입관을 관 중앙에 추가로 설치하는 방안이 시설물의 안전성 확보와 약품 혼합효율이 가장 우수하다는 결론에 도달했다.