상수도 누수 탐지, 센서 위치보다 중요한 것은 관망을 나누는 방법이다

인공지능과 다중 데이터 융합 기술을 활용해 상수도 관망을 감시 구역으로 나누고 압력 센서의 위치를 최적화하는 개념도. 관망의 연결 구조와 물의 흐름을 함께 분석해 제한된 센서로 누수 감시 범위를 넓히는 연구를 시각화했다.

도시의 지하에는 수많은 수도관이 복잡하게 연결되어 있다. 이 가운데 한 곳에서 누수가 발생하면 물이 낭비될 뿐 아니라 공급 압력이 떨어져 주민 생활에도 영향을 줄 수 있다. 문제는 모든 수도관에 감지 장치를 설치하기 어렵다는 점이다. 제한된 센서로 누수를 효과적으로 찾아내려면 어디에 설치해야 할까?

2026년 중국 하이난대학교 연구진은 인공지능과 여러 종류의 관망 데이터를 결합해 이 문제를 해결하는 새로운 방법을 제안했다. 핵심은 센서 위치만 결정하는 것이 아니라 관망의 감시 구역과 센서 배치를 함께 최적화하는 것이다.

수도관의 연결 구조와 물의 흐름을 함께 분석하다

기존의 누수 감시 연구에서는 수압 변화나 관측 지점의 유사성을 기준으로 관망을 구역화하는 방법을 활용해 왔다. 그러나 수압이 비슷한 지점이라도 실제 수도관으로 연결되어 있지 않을 수 있다. 이런 구역은 누수 위치를 판단할 때 혼란을 일으킬 수 있다.

연구진은 이를 개선하기 위해 수압과 유량의 시간별 변화, 수도관의 직경과 길이, 관망의 연결 구조를 통합했다.

여기에 그래프 신경망(Graph Neural Network)을 활용했다. 수도관의 연결 지점을 하나의 점으로, 수도관을 점 사이의 연결선으로 표현하고 물의 흐름과 구조적 관계를 함께 학습하는 방식이다.

이렇게 형성한 구역은 실제 수도관의 연결성을 유지하도록 설계했다.

감시 구역의 경계와 센서 위치를 함께 조정하다

연구진이 제안한 방법의 특징은 구역 경계와 센서 위치를 반복적으로 조정한다는 점이다.

먼저 관망을 여러 감시 구역으로 나누고 각 구역에 압력 센서 하나를 배치한다. 이후 누수가 발생했을 때 해당 구역의 센서가 압력 변화를 감지하는지 확인한다.

단순히 누수를 감지하는 것만으로는 충분하지 않다. 누수가 발생한 구역의 센서에서 다른 구역의 센서보다 더 큰 압력 감소가 나타나야 올바르게 감시한 것으로 평가한다.

연구진은 이러한 기준을 충족하는 비율을 높이도록 구역 경계와 센서 위치를 조정했다. 이 과정에서도 구역 간 연결성과 센서 수는 유지했다.

13개 센서로 누수 감시 범위 94.43%를 달성하다

연구진은 중국 하이난성 단저우시의 완푸둥 상수도 관망을 대상으로 성능을 평가했다. 이 관망에는 689개의 물 수요 지점과 689개의 수도관이 있으며, 전체 관로 길이는 약 3.71km이다.

현장 조사 자료로 관망 모형을 구축하고, 수리 해석 프로그램 EPANET과 WNTR을 이용해 다양한 누수 상황을 모의실험했다. 모든 비교 방법에는 13개의 압력 센서를 사용했다.

누수 강도 0.8의 설계 조건에서 초기 감시 구역의 누수 감시 범위는 89.42%였다. 구역 경계와 센서 위치를 함께 최적화한 이후에는 94.43%로 높아졌다. 이는 5.01%포인트 증가한 수치이다.

최적화된 센서 데이터를 다중 분류 지원벡터머신(M-SVM)에 적용한 결과, 누수 발생 구역의 분류 정확도는 97.46%였다.

또한 물 사용량을 변화시킨 별도의 모의실험에서도 최적화된 방법은 기존 비교 방법보다 높은 감시 범위를 보였다.

실제 상수도에 적용하려면 추가 검증이 필요하다

이 연구의 강점은 여러 데이터를 통합하고 감시 구역과 센서 위치를 함께 조정했다는 점이다. 단순한 누수 감지를 넘어 누수가 발생한 구역을 구분하는 능력까지 고려했다는 의미가 있다.

다만 결과는 실제 누수 현장 실험이 아니라 수리 모형을 이용한 시뮬레이션에서 얻었다. 관로의 거칠기나 물 사용량 추정 오차 등 현실의 불확실성을 충분히 검증하지 못했다.

또한 최적화 과정은 부분적인 개선을 반복하는 방식이어서 전체적으로 가장 좋은 해를 찾는다고 보장할 수 없다. 실제 설치에는 통신, 전력 공급, 유지관리 조건도 고려해야 한다.

결론: 스마트 상수도 관리의 출발점은 데이터의 연결이다

이 연구는 제한된 감시 장비를 효과적으로 활용하려면 센서 자체의 성능뿐 아니라 수도관의 구조와 물의 흐름을 함께 이해해야 한다는 점을 보여준다.

향후 현장 검증과 다양한 운영 조건에 대한 평가가 이루어진다면, 이러한 접근은 상수도 누수 감시 체계를 설계하는 데 유용한 참고자료가 될 수 있다. 특히 기존 관망 정보를 활용해 감시 구역과 센서 배치를 체계적으로 결정한다는 점에서 스마트 물관리 기술의 발전 가능성을 제시한다.

출처

Gong, X., Wang, X., Zhang, J., & Zhong, Y. (2026). Adaptive partition optimization method for water distribution network monitoring points driven by multi-source data fusion. AI, 7(11), Article 477.