Framework for designing resilient infrastructure system with cost-effective variety

Abstract

최근에 경험한 다양한 재난재해로 인해 도시 인프라 시스템의 탄력성(resiliency)이 크게 강조되고 있다. 탄력성은 재난재해가 너무 불확실하고 모든 재난을 완전히 예방/방어할 수 없기 때문에 방재 (防災) 보다는 감재 (減災)에 초점을 두되 피해를 최소화하고 빨리 회복함으로써 시스템 연속성을 최대한 유지하고자 하는 개념이다. 이러한 관점에서 시스템 다양성과 분산성 확보 전략은 재난재해 특히 불확실성이 높은 재난에 탄력적으로 대응하기 위한 인프라 시스템의 대표적인 전략으로 간주되고 있다. 그러나 불확실성에 대응하기 위해 인프라 시스템의 다양성과 분산성을 충분히 확보하는 데에는 상당한 한계 (例 높은 비용부담, 불확실성 대응 인식 회피 등)가 내포하고 있어 실질적인 전략 수립 및 인프라 구축이 매우 어려운 실정이다. 따라서 본 학위연구는 불확실성 대응 위한 탄력성과 비용효율성 확보 위한 투자 효율성을 동시에 만족하는 인프라 시스템의 다양성 및 분산성 설계 방법론 (VIRA design framework)을 개발하고자 하였다. 이를 위해 설계요구조건들을 검토하고 이들을 반영한 다양성 및 분산성 설계 방법론을 제안하였다. 그리고 가뭄재난 사례를 바탕으로 개발된 방법론의 유용성을 검증하였다. 설계요구조건은 불확실성 대응 위한 탄력성과 투자효율성 관점에서 검토되었다. 탄력성 관점에서는 1) 불확실성으로 인한 시스템 리스크를 줄이고, 2) 불확실성하에서 시스템 안정화를 유도하며, 3) 불확실성에 대응하는 다양성과 분산성을 제고하기 위한 설계조건들이 검토되었다. 한편 투자효율성 관점에서는 대안조합들의 투자에 따른 성능 (불확실성 대응) 리스크를 최소화하고 기대성능을 최대화하며 총 예산한계를 만족하기 위한 설계조건들을 검토하였다. 그 결과 교란요인 불확실성과 대안조합 성능의 불확실성으로 인한 리스크 감소, 인프라 대안간의 낮은 상관성과 분산화, 대안 투자에 따른 기대 성능 및 리스크 감소효율, 예산 한계 등에 대한 7가지의 설계조건들을 도출하였다. 다양성 및 분산성 설계 방법론은 상기한 다양한 설계조건들을 반영하여 최적해를 찾을 수 있도록 다목적 최적화 기법을 기반으로 개발되었다. 기 도출된 설계조건들을 바탕으로 2개의 결정변수 (대안들의 조합과 의존도)와 5개의 목적함수를 도출하였다. 이에 개발된 설계 방법론은 목적함수들을 2개의 그룹으로 나누어 2개의 최적화 과정이 수행되며 크게 4개의 단계로 구분된다. 첫번째 단계는 교란요인, 시스템 상태, 대응방안 등 시스템을 정의한다. 두번째 단계는 대안조합의 기대성능 최대화와 성능 불확실성 최소화에 대한 최적화 과정으로써 현대포트폴리오 이론을 기반으로 한다. 세번째 단계는 미래 불확실성에 따른 시스템 피해 리스크 최소화와 대안조합 투자에 따른 리스크 감소효율 최대화에 대한 최적화 과정이다. 이는 RCV 곡선 (리스크-비용-다양성/분산성 관계 곡선)과 RV 곡선 (리스크 감소효율-다양성/분산성 관계 곡선)의 공통해를 통해 최적해를 도출하게 된다. 네번째 단계는 의사결정자가 선호하는 바에 따라 탄력성 및 투자효율성의 적절한 조율을 통해 최종적으로 다양성 및 분산성 해를 선정하는 단계이다. 제안된 방법론을 가뭄재난사례에 적용하여 대상지역의 수자원 인프라 다양성과 분산성 해를 검토하였다. 수자원 인프라는 댐 용수, 하수 재이용수, 우수 재이용수, 해수담수 등 4가지로 선정하였다. 첫번째 최적화 결과, 다양성을 최대화하기 위해 가용한 모든 대안들을 활용하기 보다, 비록 다양성 수준은 낮지만 비용대비 성능이 높은 대안들을 중심으로 대안조합을 구성하는 것이 오히려 더욱 바람직한 것으로 검토되었다...