This study is motivated by limitation in engineering when the principles of integration and adaptation are underlined for sustainability of water management (IAWM concept). Although the system becomes highly complex, the complexity is little considered in design of water infrastructures. That is, engineers stick to the conventional methods. This has caused major decisions to be decided by political approach which is a very slow and inaccurate learning process. To overcome these problems, this study sets a methodological hypothesis that the complexity can be dealt with properly selected methods and systematic design procedures.
Types of complexity are examined first of all. When IAWM concept is attempted, it is classified into 'organized complexity' which generally living systems have, and simulation is explained to be the only practical method. Also, the procedures required for simulation-based engineering method (SEM) follow in detail so that organized complexity can be fully considered in design of water infrastructures.
It is attempted to examine usefulness of SEM with a case study which is related to design of capacity expansion of the water supply system in the developing countries. The results of case study are as follows; without consideration of organized complexity, the design shows various problems; organized complexity of the system can be described by SEM; further, the design is expected to solve the problems in accordance with procedures of SEM. Therefore it is concluded that SEM needs to be regarded as important for IAWM concept.
"adaptive design" is one of the possible design methods using SEM. Its system view is as follows; engineers should design water infrastructures to be effectively managed against uncertain changes of the circumstances during long periods. Adaptive design applies control of cybernetics theory to expedite the system view.
Success of design depends on whether or not control mechanism can be well-functional against disturbances during long periods. This means that hard cores for design of water infrastructures are control mechanisms which are formulated by interactions of components. Also, focusing on control mechanisms helps effectively understand the organized-complexitic system from IAWM concept. In other words, adaptive design is intended to effectively set up hypothesis on structure of the whole system. The benefit from adaptive design is more than system identification. Design objective can be more clearly defined by use of "sickness symptom" concept of the control system. Also, Design solution can be systematically obtained by use of stability analysis. Design procedures which can make SEM more formalized and externalized follow.
Likewise, it is attempted to examine usefulness of adaptive design by a case study which handles design of pipe replacement program. Recently special emphasis on asset management needs to consider the various dynamics in management as well as physical dynamics, i.e. break rate of a pipe over time. Surely, the emphasis provides the system to be addressed with organized complexity. In asset management, moreover, design of water infrastructures should be based on agreement between performances of infrastructures and customer payment. Thus, prior information about the organized-complexitic system is required to preserve the agreement. Adaptive design is applied for the case as follow; prior information is minimum customer payment so as to maintain contracted breaks of pipes and proper O&M cost; pipe management itself corresponds to control; the contracted breaks and O&M cost within total customer payments are goals of controller. Also, input data is made for water mains in a typical small district in Korea. That is, the example uses assumption data other than data for a certain district. Nonetheless, usefulness of model is systematically discussed by literatures and mental expectation. From the validation result, it is clear that adaptive design can help much in system identification. To look for design solution, many trials of simulation and stability analysis follows. Hence, design solution for customer payment is obtained so as to maintain goals of controller under condition of input data. Moreover, design solution goes further to consider uncertainty in service population. The quantitative results associate with recent literatures. It is conclusively expected that adaptive design can be a useful design method, supplementing SEM with the more formalized and externalized procedures. That is, it can be one of methodologically engineering options for IAWM concept.
본 연구는 물관리의 통합과 적응의 원칙(IAWM 관점)에 있어서 물 인프라를 설계하는 엔지니어링의 한계에서 시작되었다. 그것은 통합과 적응의 원칙에 따라 다루어야 할 시스템의 복잡성이 증가함에 반해, 여전히 방법론상의 한계로 인해 시스템을 작위적으로 단순화시켜 보다 익숙한 하드 방법들이 적용되고 있기 때문이다.
이에, “물 인프라의 설계시 발생되는 시스템의 복잡성은 이를 구현할 수 있는 방법론과 체계적인 설계절차를 통해 극복될 수 있다”는 방법론적인 가설을 세웠으며, 물 인프라 설계시 발생되는 시스템의 복잡성을 다룰 수 있는 방법론과 적절한 설계절차를 탐색·개발하고, 체계화된 설계방법의 유용성을 사례연구를 통해 검토하려 하였다.
제2장에서는 ‘조직화’와 ‘복잡성’이라는 용어를 토대로 복잡성과 그 특징에 대한 조사가 진행되었다. 만약 시스템의 복잡성이 ‘조직화된 단순성’이나 ‘비조직화된 복잡성’으로 분류될 수 있다면 시스템의 비선형성이 두드러지지 않기 때문에 전통적인 엔지니어링 기법들인 시스템 분석, 수리계획법, OR, 확률 및 통계 방법이 효과적인 것으로 파악되었다. 그러나 다루고자 하는 시스템이 생물 시스템의 특징인 ‘조직화된 복잡성’으로 분류될 경우에는 이러한 방법들을 더 이상 적용하기 힘든 것으로 파악되었다. 이는 시스템의 높은 비선형성이 시스템의 요소에 있다기 보다는 요소들이 서로 상호작용하는 방식, 즉 시스템의 구조에 기인하기 때문이다.
또한 IAWM의 관점에 따라 물 인프라의 설계에서 정의되는 시스템에서 복잡성의 종류를 살펴보았다. 그 결과, 물 인프라의 설계를 위해서는 조직화된 복잡성을 갖는 시스템의 특징들(매우 조직화된 요소들로 구성, 요소들간의 비선형적 상호작용, 빈번한 피드백 루프 형성, 열린계로의 요구 및 모호한 시스템 경계 그리고 외부환경의 변화에 대한 적응)이 나타나는 것으로 조사되었다.
제3장에서는 조직화된 복잡성을 다루기 위한 방법론상의 요구조건들을 검토하였다. ① 귀납적 및 조합적 방법, ② 외관적 방법, ③ 설계목적에 따라 시스템을 단순화시킬 수 있는 방법, ④ 설계하기에 충분한 시스템 지식을 공급할 수 있는 방법, ⑤ 과학적인 절차에 따라 검증가능한 방법, ⑥ 표현상의 유연성을 지닌 방법 등 6가지 요구조건들이 제안되었다. 또한 선행 연구들을 토대로 이를 충족시키기 위해 형식의미론적으로 복잡성에 대한 이론들이 반영된 시뮬레이션 모델이 현실적으로 유일한 방법이라는 점이 파악되었다. 따라서 물 인프라 설계시 시뮬레이션 기반의 엔지니어링 방법(simulation-based engineering method, SEM)의 필요성을 강조하였다.
제4장에서는 조직화된 복잡성을 다루기 위해 필요한 SEM의 설계절차를 살펴보았다. 근대 시스템 과학들의 이론들을 토대로, 설계목적 및 시스템 관점의 결정, 시스템 정의, 시스템 지식의 수집, 그리고 설계해결안의 도출로 이루어진 설계절차 중 각 절차별로 요구되는 개념, 기법, 세부절차 등을 자세히 논의하였다.
이어서, 정수장 증설용량의 설계와 관련된 사례를 다루었다. 동 사례에서, 기존의 설계 방식은 다루고자 하는 시스템이 조직화된 단순성을 갖는 것으로 간주하였기 때문에 용량증설의 설계 결과는 현실적이지 않은 것으로 예측되었다. 또한 용량증설과 관련되어 현실적으로 고려되어야 할 대표적인 요소들을 포함할 경우 시스템은 조직화된 복잡성을 갖게 됨에 대해 설명하고 있다.
예로서, 개발도상국의 현실적인 요소들(용량증설이 물수요에 미치는 영향과 관련된 여러 가지 요소들)을 고려하여 증설용량을 설계하기 위해 SEM이 적용되었다. 그 결과, 정의된 시스템은 실제 시스템에서 나타나는 용량증설에 따른 물수요의 동적 변화를 묘사할 수 있을 것으로 판단되었다. 그리고 증설용량 설계시 극복해야 할 중요한 문제에 대해 ‘주민들의 지불의사가 서비스 비용에 비해 상대적으로 낮은 반면, 계획 초기에 매우 높은 물수요의 기대로 인해 대규모 용량증설이 요구된다’는 점이 명확히 파악되었다. 또한 다양한 시뮬레이션을 통해 ‘증설계획 초기에 물수요의 일정부분을 인위적으로 제한하여 용량을 증설할 때 장기적으로는 더 많은 물수요를 만족시킬 수 있다’는 반직관적인 시스템지식을 얻을 수 있었다. 해당 사례의 경우, 초기 증설시 요구되었던 증설용량의 38%를 제한시키는 것이 최적임을 발견하게 되었으며, 그 결과 용량관리는 적정 설계주기를 따라 장기적으로 90% 이상의 보급률을 달성하고 수익률(NPV) 또한 나쁘지 않을 것으로 예측되었다. 추가적으로 불확실성을 고려하기 위한 예로서, 지불의사 수준에 따른 시스템 동태가 관찰되었으며, 불확실성을 고려하여 의사결정을 수행할 수 있도록 정량적인 관계식이 제시되었다. 결론적으로, SEM은 물 인프라의 설계시 유용하며, IAWM의 관점에서 시스템이 조직화된 복잡성을 갖을 경우 전통적인 엔지니어링 방법에 대한 대안으로 고려될 필요가 있다고 판단되었다.
그럼에도 불구하고, SEM을 적용하는 데에도 시스템의 복잡성은 시스템을 정의하는 데에 있어 비효과적인 절차를 요구한다. 즉, 시스템에 대한 이해가 부족한 상황에서 귀납적·외관적인 방법에 따라 시스템을 정의하는 것은 상당한 시행착오를 발생시키게 된다. 이러한 도전을 해결하기 위해 SEM은 ‘설계방법(design method)`으로 정형화˙외부화될 필요가 있으며, 진행중인 설계방법은 '적응형 설계(adaptive design)'로 명명하여 제5장에서 설명하였다.
적응형 설계의 시스템 관점은 다음과 같이 설명되었다; 물 인프라 관리상의 특성(비싸고 불편하고 힘든 제어수단을 요구하며 상당한 규모의 경제 효과가 발생)으로 인해, 물인프라는 ① 수십년에서 수백년까지의 긴 수명주기를 갖도록, ② 건설에서 실제 사용까지 긴 지연시간을 갖도록 설계된다; 이에, 물 인프라는 ‘오랜 기간 동안 외부환경의 불확실한 변화에 대해 효과적으로 관리’될 수 있도록 설계하는 것이 보다 중요하다; 즉, 정의해야 할 시스템은 물 인프라의 관리기작에 대한 고려가 필요하다; 사이버네틱스, 제어이론 등의 근대 시스템 과학을 기초로 할 때, 인프라의 관리기작을 제어기작으로 대응시키고 정보의 흐름을 분석하여 안전하고 정량적인 모델을 얻는 것이 가능하다; 이 때 물 인프라 설계의 성공은 외부환경의 불확실성에 대해 제어기작이 정상 작동하느냐에 따라 결정된다. 즉, 적응형 설계는 ‘엔지니어가 설계코자 하는 물 인프라를 미리 관리 상황에 놓고, 인프라의 성능이 원하는 관리의 목적을 만족시키는 지 여부를 관찰한 다음, 최종적으로 최적화된 설계해결안을 제시하려는 일련의 절차들’로 정의되었다.
적응형 설계의 절차는 SEM의 설계절차를 보다 정형화한다. 설계목적은 각각 제어기작의 오작동에 대한 세 가지 `질병 증상들(sickness symptoms)`을 해결하는 것으로 대응되며, 사이버네틱스의 선행 연구를 토대로 질병 증상은 ① 부적절하거나 부정확한 정보, ② 부적절하고 시기를 놓치거나 제한적인 제어수단, ③ 제어수단을 투입하는 데에 있어서 부족한 시스템 리소스로 구성된다. 또한 시스템 정의는 개념화 단계와 구체화 단계로 구분된다. 개념화 단계는 설계하고자 하는 민프라？관리에 포함된 제어기작을 충분히 이해한 뒤에 전체 시스템 구조에 대한 가설을 세우려는 데에 목적이 있다. 이를 위해 전체시스템을 제어시스템, 제어기, 그리고 교란으로 구분하여 정보의 흐름이 분석된다. 이해를 돕기 위해, 두 가지 종류의 물 인프라의 관리기작이 어떻게 제어기작으로 대응되는 지에 대해 살펴보았다. 개념화 단계는 SEM의 시스템 정의에 있어서 중요한 도전을 극복하는 데에 도움이 될 것으로 예상되었다. 또한 설계해결안을 도출하기 위해, 시뮬레이션을 적용하여 안정도 분석을 수행할 수 있도록 하는 방법이 설명되었다.
적응형 설계의 유용성을 검토하기 위해 관로 교체 프로그램 설계에 대한 사례연구를 실시하였다. 최근에 강조되는 자산관리의 관점은 인프라 설계시 관로의 물리적인 동적 특성뿐만 아니라 관리상의 다양한 동적 특성을 고려할 것을 요구하여 다루어야 할 시스템의 복잡성을 증가시킨다. 게다가 인프라의 성능과 고객의 지불의 결정이 사업자와 고객간의 ‘합의’를 바탕으로 할 것을 강조하고 있다. 따라서 고객과 합의된 인프라의 성과를 달성하기 위해 얼마만큼 고객으로부터 지불을 받아야 하는 지에 대한 사전 정보가 요구된다. 이러한 정보를 제공하려는 예로서 적응형 설계가 적용되었다. 사례에서, 관로 관리는 제어기작으로 간주되고, 제어기의 목표는 설정된 값 이내의 전체 관로의 파손횟수와 고객의 지불 이내의 유지관리 비용으로 설정되었다. 그리고 전체 관로의 파손횟수와 유지관리비의 고객 지불에 대한 비율이 제어시스템의 중요한 출력이 되었다. 또한 한국의 일반적인 소규모 지자체의 송수관을 염두하여 입력자료가 가정되었다. 가정된 자료임에도 불구하고 전체 시스템의 구조에 대한 가설은 선행 연구의 경험과 직관적 기대에 의해 시스템이 갖는 동적 특성, 즉 시스템의 조직화된 복잡성을 묘사하기에 충분하다는 판단을 할 수 있었으며 시뮬레이션을 활용한 안정도 분석을 수행하였다. 그 결과, 가정된 입력자료의 조건하에 제어기의 목표(전체관로가 1년에 20회 미만의 파손횟수와 고객의 지불 이내의 유지관리 비용)를 달성하기 위해서 고객지불은 1인당 $21.5가 요구됨을 알 수 있었다. 또한 외부환경 변화의 불확실성을 고려하기 위한 예로서, 서비스 인구의 불확실성이 선택되었으며 이에 대한 설계해결안이 정량적으로 분석되었다. 또한 그 결과는 최근의 문헌과 비교할 때 의미가 있는 것으로 판단되었다. 결론적으로, 적응형 설계는 보다 정형화되고 외부화된 절차를 통해 SEM을 보완할 수 있으며, IAWM 관점을 위한 엔지니어링 방법상의 대안으로 고려되기에 적절한 것으로 판단된다.
