AI와 디지털 전환 기술 등 첨단기술을 활용해 정수장 운영 효율을 획기적으로 높이는 동시에 수돗물 품질까지도 안정적으로 유지할 수 있는 가상물리시스템 기반의 정수처리 자율제어 기술이 세계 최초로 선보여 눈길을 끌고 있다.
이 기술은 원수 수질이 급변하는 상황에서도 예측 및 자율제어를 통해 안정적인 수돗물 공급이 가능하고, 약품 주입량 최적화와 공정 자율 운전을 통해 운영비 절감 효과도 거둘 수 있다.
또한, 숙련 인력의 경험에 의존하던 운영 방식을 시스템 중심으로 전환함으로써 인력 구조 변화에 대응할 수 있고, 국내 정수처리 기술 고도화는 물론 향후 해외 시장 진출을 위한 기술적 기반 마련에도 기여할 것으로 평가받고 있다.
특히, 공인 성능 검증을 통과해 한국물기술인증원으로부터 물기술 성능검증서를 취득하며 기술의 우수성을 입증했다.
정수장 운영 효율성 높이고 수돗물 품질까지도 안정적 유지 ‘눈길’
물기술 성능검증서 취득 우수성 입증 ··· 해외시장 진출 기반 마련
국내 정수처리 시설은 전국적으로 광범위하게 운영되고 있지만, 많은 시설이 준공 이후 장기간 경과하며 노후화된 설비와 운영환경의 구조적 한계가 누적되고 있다.
특히, 약품 주입, 혼화·응집, 침전·여과, 소독 등 정수처리 공정은 설비 상태는 물론 원수 수질 변동과 운영 조건에 따라 성능이 크게 달라지므로, 설비 노후화가 진행될수록 공정 안정성과 수질 신뢰도를 유지하기 위한 운전 부담이 증가한다.
그럼에도 불구하고, 현장 운전은 여전히 경험 기반 수동 조정에 의존하는 경우가 많아 동일한 조건에서도 운전자의 숙련도와 판단에 따라 결과 편차가 발생할 수 있으며, 이는 장기적으로 비용 증가와 성능 저하 위험으로 이어질 수 있다.
또한, 정수처리 운영체계 측면에서 운영 인력 고령화 및 전문 인력 부족 문제는 운영 리스크를 증가시키고, 특히 돌발 수질 사고나 설비 이상 발생 시 신속하고 일관된 대응을 어렵게 만드는 것으로 알려져 있다.
따라서 정수장 운영은 ‘사람이 경험으로 커버하는 시스템’에서 ‘데이터와 지능형 기술이 보조·대체 가능한 시스템’으로의 전환이 필요한 시점이다.
이와 함께 기후변화와 사회·환경적 불확실성이 확대되는 VUCA(Volatility, Uncertainty, Complexity, Ambiguity) 시대에 진입함에 따라 정수처리 운영환경은 과거보다 훨씬 빠르고 불규칙하게 변화하고 있다.
따라서 기존의 단순 기준치 기반 제어 또는 수동 운전 체계만으로는 복합적인 변동성에 대해 선제적으로 대응하기 어렵고, 결과적으로 약품 과다 주입, 수질 불안정, 에너지 비용 증가, 운영자 부담 확대 등 다양한 문제가 반복될 가능성이 높다.
이 같은 문제 해결을 위해 최근 가상물리시스템(Cyber Physical System, CPS) 기반 기술 도입에 대한 필요성이 대두되고 있다.
CPS는 물리적인 실제의 시스템과 사이버 공간의 소프트웨어 및 주변 환경을 실시간으로 통합하는 시스템으로, 물 수급 정보 기반의 유연한 생산체계 구축이 가능해 생산효율 향상, 에너지 절감, 인간중심의 작업환경 구현이 가능하다.
이처럼 정수처리 관련 기술적 변화에 발맞춰 기후에너지환경부과 한국환경산업기술원의 지원 아래 한국건설기술연구원을 중심으로 지난 2020년 5월부터 5년 8개월 동안 ‘CPS 기반 정수처리 공정 자율제어 통합관리시스템 개발 및 실증화’ 과제가 진행됐다.
CPS 기반 정수처리 공정 자율제어 통합관리시스템은 가상물리시스템(CPS)과 AI 기술을 활용해 정수장 운영 효율을 높이는 한편, 약품 사용량을 줄이면서도 수질 품질을 안정적으로 유지하는 첨단 자율제어 시스템이다.
연구내용
이번 연구는 상수도 시설의 유지관리 효율 향상 및 수리, 교체, 보완 등의 의사결정 지원을 위한 새로운 개념의 AI 기반 기술 개발과 평상시 유지관리 및 비상시에 대응하기 위한 의사결정을 지원할 수 있는 전문가 시스템 구축·적용 연구다.
이 연구는 ‘가상물리시스템(CPS) 기반 자율제어 기술과 유지관리 기술이 통합 적용된 실증 플랜트 구축 및 운영’을 목표로 진행됐다.
연구진은 정수처리 공정 유형별 CPS 기반 자율제어 통합시스템을 개발하고, 파일럿 플랜트 및 소규모 정수장에 적용하며 개발 기술을 검증하고, 중·대규모 정수장을 대상으로 CPS 기반 자율제어 통합시스템 적용 및 사업화 방안을 도출하는 연구를 진행했다.
특히, 세부 목표인 동일 비용 대비 처리 수질 10% 이상 향상, 처리수질에 대한 표준편차 10% 이상 감소, 정수장 공정제어 비용 10% 절감 및 유지관리비용 15% 절감이 가능한 정수처리 자동제어 및 운영·유지관리기술 개발 및 실증화 기술 개발에 집중했다.
그동안 진행된 연구를 세부적으로 살펴보면, 1단계 연구는 CPS 기반 정수처리 자동제어·운영과 유지관리 핵심기술 개발과 고도화 및 파일럿 플랜트·소규모 정수장 적용을 목표로 진행했다.
이를 위해 정수처리 유형별 파일럿 플랜트 소프트웨어 구축 연구를 비롯해 파일럿 플랜트 공정제어 검증과 자율제어 통합관리시스템 구축, 파일럿 플랜트·소규모 정수장 검증 연구가 이뤄졌다.
2단계에서는 CPS 기반 정수처리 자동제어·운영, 유지관리 핵심기술 검증 및 사업화 방안 마련을 목표로, CPS 기반 중·대규모 정수장 자율제어 통합관리시스템 적용 방안 마련 연구와 함께 CPS 기반 정수장 운영, 유지관리 방안·매뉴얼 작성 및 사업화 방안 마련 등의 연구를 추진했다.
한편, 이 같은 연구를 통해 연구진은 AI와 디지털 전환 기술을 활용해 정수장 운영 효율을 높이면서도 수돗물 품질을 안정적으로 유지할 수 있는 정수처리 자율제어 기술을 개발하고 실증까지 마무리했다.
이번에 선보인 ‘가상물리시스템(CPS) 기반 정수처리 자율제어 기술’은 7개의 AI 모델을 활용해 1시간 간격으로 적정 응집제(약품) 주입량을 예측한다.
예측된 값은 실제 적용에 앞서 디지털 트윈으로 생성된 가상 정수장 환경에서 먼저 검증되며, 그 결과를 실제 정수장 제어에 반영하는 구조로 설계됐다.
이로 인해 원수 수질 변화에 선제적으로 대응하면서 정수 과정에 사용되는 약품 사용량을 절감하고 처리된 물의 품질을 안정적으로 유지할 수 있다.
특히, AI를 활용한 정수장 운영·관리 기술은 공인 성능 검증을 통과해 한국물기술인증원으로부터 물기술 성능검증서를 취득했다.
12주간의 검증기간 동안 정수에 사용되는 약품 사용량은 평균 6.88% 절감됐으며, 처리된 물은 검증기간 동안 맑은 상태를 안정적으로 유지하는 것을 나타내는 탁도 1NTU 이하를 100% 달성했다.
NTU(Nephelometric Turbidity Unit)는 탁도계로 측정한 탁도의 국제 표준 단위로, 값이 낮을수록 물이 맑고 깨끗함을 의미한다.
이와 함께 연구진은 디지털 트윈 기반의 사전 검증 체계를 적용해 제어 신뢰성과 운영 효율을 동시에 향상시키는 성과도 거뒀다.
연구진은 향후 실증 대상을 단계적으로 확대해 다양한 원수 조건에서의 적용성을 추가 검증하고, 예측·진단·자율제어 기능의 정합성을 강화하는 등 정수처리 전체 공정의 통합관리시스템을 고도화할 계획이다.
또한, 표준 운영지침(SOP)과 교육 프로그램을 마련하고, 현장 적용과 제도화·표준화를 병행 추진할 예정이다.
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‘정수처리 공정’ 지능형 사이버–물리시스템으로 통합
한국건설기술연구원 오현제 선임연구위원은 “이번 연구는 정수처리 공정을 하나의 지능형 사이버–물리시스템(CPS)으로 통합하고, AI 기반의 자율제어와 예측 중심의 운영·유지관리 체계 구축을 목표로 진행된 연구”라고 소개했다.
이어 “특히, 정수장이 스스로 판단하고 대응하는 자율 운전제어 정수처리 기술로의 전환이라는 점에서 이번 연구가 갖는 의미는 매우 크다”고 밝혔다.
연구진은 AI 수질 예측 및 AIoT 설비 자율제어 기술과 CPS 기반 디지털 트윈 정수장 구현, 중·대규모 정수장 실증 중심의 기술 검증 연구에 집중했다.
오 박사는 “‘AI 수질 예측 및 AIoT 설비 자율제어 기술 개발’ 분야에서는 원수 수질과 단위공정 운영데이터를 학습한 AI 모델을 활용해 각 단위공정의 처리수질을 예측했다”며, “이후 AIoT 모델에 반영해 설비 자율제어 방법을 사전에 예측·결정함으로써, 수질 안정성과 공정 운영 효율을 동시에 확보하기 위해 노력을 기울였다”고 설명했다.
이어 “‘CPS 기반 디지털 트윈 정수장 구현’ 분야에서는 실제 정수처리 공정을 가상공간에 동일하게 구현해 공정 상태를 실시간으로 진단하고, 다양한 운영 시나리오를 사전에 검증할 수 있는 기술 개발을 추진했다”고 말했다. 이 같은 기술 개발 이후 연구진은 실험실 단계를 넘어 실제 운영 중인 정수장에 기술을 적용해 현장 적용성과 안정성, 운영 효과를 종합적으로 검증했다.
AI 기반 ‘자율제어’ 예측 중심 운영·유지관리 체계 구축 ‘큰 의미’
특히, CPS 기반 정수처리 자율제어 핵심 요소기술들은 현장에 바로 적용할 수 있는 표준화된 운영기술로 확장될 수 있어 더욱 주목받고 있다.
오 박사는 “연구 성과물들은 실제 정수장 운영 환경에 바로 적용 가능한 형태로 활용될 수 있다”며, “기존 정수장에는 AI 기반 자동제어 및 운영 지원 시스템을 단계적으로 도입함으로써, 현재의 운영 체계를 크게 변경하지 않으면서도 수질 안정성과 운영 효율을 동시에 향상시킬 수 있다”고 강조했다.
이어 “신규 정수장 설계 시에는 개발 기술과 운영 개념을 반영해 설계 단계부터 자동제어와 예측 기반 운영이 내재화된 스마트 정수장 표준 모델로 활용할 수 있을 것”이라고 전망했다.
지자체 및 물관리 기관에서는 정수처리 공정의 상태를 종합적으로 진단하고 합리적인 운영 판단을 지원하는 의사결정 도구로 활용함으로써, 보다 체계적이고 과학적인 물 관리가 가능해질 전망이다.
오 박사는 “더 나아가, 국내 물기업과의 기술이전을 통해 관련 시스템과 솔루션을 사업화하고, 이를 기반으로 해외 정수처리 시장 진출 및 수출 모델로의 확장도 충분히 가능할 것으로 판단된다”고 말했다.
이어 “궁극적으로 정수처리 시설을 단순한 기반시설에서 벗어나 스스로 판단하고 대응하는 지능형·자율형 물관리 인프라로 진화시키는 데 핵심적인 역할을 할 것”이라고 덧붙였다.
