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EPANET

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1. 개요

EPANET은 상수도 시스템의 수리학적 및 수질 분석을 수행하는 데 사용되는 컴퓨터 프로그램이다. 다양한 크기의 시스템을 처리할 수 있으며, 파이프의 흐름, 접합부의 압력, 오염 물질의 확산 등을 시뮬레이션한다. EPANET은 수두 손실 계산을 위해 해젠-윌리엄스, 다르시-바이스바흐, 체지-매닝 공식을 사용하며, 펌프는 수두-유량 곡선으로 모델링한다. 또한, 펌프를 상수 동력 입력으로 모델링할 수도 있다. EPANET은 수질 연령, 비반응성 물질, 반응성 물질의 흐름을 모델링할 수 있으며, 툴킷 형태로 제공되어 다른 애플리케이션에 통합될 수 있다. EPANET은 다양한 파일 형식을 지원하며, 많은 상용 및 무료 모델링 패키지에서 계산 엔진으로 활용된다.

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EPANET - [IT 관련 정보]에 관한 문서
개요
EPANET 스크린샷
EPANET 스크린샷
일반 정보
종류수자원 분배 시스템 모델링 소프트웨어
개발자미국 환경 보호청 (USEPA, 신시내티, 오하이오주)
작성자루이스 A. 로스만
최신 릴리스 버전2.2
최신 릴리스 날짜2020년 7월 23일
프로그래밍 언어C 언어(엔진) / Object Pascal(사용자 인터페이스)
운영 체제윈도우
라이선스없음 (퍼블릭 도메인)
웹사이트EPANET - Water Research - US EPA

2. 특징

EPANET은 수질 연령을 모델링하고 비반응성 물질과 단순화된 조건에서 반응성 물질의 흐름을 예측하는 기능을 포함한다.[4] 이 기능은 수계망 내 잔류 염소 농도를 예측하는 데 자주 사용된다. 내부 수질 시뮬레이션 기능은 단일 성분의 감소 또는 성장을 평가하지만, 여러 성분 간의 상호 작용을 모델링할 수 있는 확장 프로그램(EPANET-MSX)을 사용할 수 있다.

EPANET는 임의의 크기의 배수 시스템을 다룰 수 있으며, 장기간의 수리학적 해석이 가능하다.

2. 1. 통합 환경

EPANET은 네트워크 입력 데이터를 편집하고, 수리 및 수질 시뮬레이션을 실행하며, 다양한 형식으로 결과를 볼 수 있는 통합 환경을 제공한다. EPANET은 어떤 크기의 시스템도 처리할 수 있는 완벽하게 갖춰진 확장된 기간의 수리학적 분석을 제공한다. 이 패키지는 또한 공간 및 시간적으로 변화하는 수요를 시뮬레이션하고, 일정하거나 가변적인 속도의 펌프를 사용하며, 굴곡 및 부속품에 대한 작은 헤드 손실을 지원한다. 모델링은 파이프의 흐름, 접합부의 압력, 오염 물질의 확산, 염소 농도, 물의 나이 및 심지어 대체 시나리오 분석과 같은 정보를 제공한다. 이는 펌핑 에너지와 비용을 계산하고, 차단, 체크 압력 조절 및 유량 제어를 포함한 다양한 유형의 밸브를 모델링하는 데 도움이 된다.

EPANET의 수질 모델링 기능은 사용자가 시간 경과에 따라 네트워크를 통해 확산되는 반응성 또는 비반응성 유량 추적자 물질의 이동을 분석할 수 있게 해준다. 지정된 노드에서 흐름의 비율을 측정하면서 반응성 물질이 확산되는 것을 추적한다. 이 패키지는 파이프별로 수정할 수 있는 전역 반응 속도 계수를 사용한다. 저장 탱크는 완전 혼합, 플러그 흐름 또는 2구획 반응기로 모델링할 수 있다.

EPANET의 시각적 네트워크 편집기는 배관 네트워크 모델을 구축하고 해당 속성을 편집하는 과정을 단순화한다. 이러한 다양한 유형의 데이터 보고 시각화 도구는 그래픽 보기, 표 형식 보기 및 특수 보고서를 포함하여 네트워크를 분석하는 데 사용된다.

2. 2. 수리 시뮬레이션

EPANET은 확장된 기간의 수리학적 분석을 제공하며, 공간 및 시간적으로 변화하는 수요를 시뮬레이션하고, 펌프, 굴곡 및 부속품에 대한 작은 손실 수두를 지원한다. 이를 통해 파이프의 흐름, 접합부의 압력, 오염 물질의 확산, 잔류 염소 농도, 물의 체류 시간(water age) 및 대체 시나리오 분석과 같은 정보를 제공한다. 또한 펌프 에너지와 비용을 계산하고, 다양한 유형의 밸브를 모델링하는 데 도움을 준다.[4]

EPANET의 수질 모델링 기능은 네트워크를 통해 확산되는 반응성 또는 비반응성 유량 추적자 물질의 이동을 분석하게 해준다. 반응성 물질은 파이프별로 수정할 수 있는 전역 반응 속도 계수를 사용하여 확산되며, 저장 탱크는 완전 혼합, 플러그 흐름 또는 2구획 반응기로 모델링할 수 있다.

EPANET은 다음 세 가지 공식 중 하나를 사용하여 파이프 세그먼트의 수두 손실을 계산한다.[4]

  • 해젠-윌리엄스 공식: 단순화된 조건(난류 흐름, 화씨 60도 정도의 온도, 물과 유사한 점성)에서 완전 흐름 조건을 모델링하는 데 사용된다.
  • 다르시-바이스바흐 공식: 더 광범위한 수리학적 조건에서 가압 흐름을 모델링하는 데 사용된다.
  • 체지-매닝 공식: 매닝 방정식을 위한 체지 조도 계수를 사용하여 가압 흐름을 모델링하는 데 사용된다.


파이프 세그먼트 수두 손실 방정식은 네트워크 해석기 내에서 사용되므로 위 공식은 전체 모델에 대해 선택된다.

EPANET에서, 펌프는 펌프가 시스템에 가하는 수두와 펌프가 전달하는 유량 간의 관계를 정의하는 수두-유량 곡선을 사용하여 모델링된다. 이 모델은 주어진 시스템 수두 조건에 대해 펌프 요소가 전달하는 유량을 이 곡선을 기반으로 계산한다. EPANET은 또한 펌프를 상수 동력 입력으로 모델링할 수 있으며, 이는 펌프 요소의 다운스트림 시스템에 주어진 양의 에너지를 효과적으로 추가한다.[4]

EPANET에서 사용되는 네트워크 수리학적 해석기는 토디니와 필라티가 처음 제안한 "경사법"[5]을 사용하며, 이는 뉴턴-랩슨 방법의 변형이다.

2. 3. 수질 시뮬레이션

EPANET은 시간에 따라 네트워크를 통해 확산되는 반응성 또는 비반응성 유량 추적자 물질의 이동을 분석할 수 있게 해준다.[4] 지정된 노드에서 흐름의 비율을 측정하면서 반응성 물질이 확산되는 것을 추적한다. 이 패키지는 파이프별로 수정할 수 있는 전역 반응 속도 계수를 사용한다. 저장 탱크는 완전 혼합, 플러그 흐름 또는 2구획 반응기로 모델링할 수 있다.

EPANET은 물의 체류 시간(water age)을 모델링하고 비반응성 물질과 단순화된 조건 하에서 반응성 물질의 흐름을 예측하는 기능을 포함한다.[14] 이 기능은 수계망 내 잔류 염소 농도를 예측하는 데 자주 사용된다. 내부 수질 시뮬레이션 기능은 단일 성분의 감소 또는 성장을 평가하지만, 여러 성분 간의 상호 작용을 모델링할 수 있는 확장 프로그램(EPANET-MSX)을 사용할 수 있다.

EPANET의 수질 시뮬레이션 기능을 통해 다음을 할 수 있다.

  • 시계열로 배수 네트워크에 전달되는 반응성 및 비반응성 추적자 물질의 기능적인 해석
  • 반응성 물질의 생성, 주어진 절점으로부터의 농도 추적 등의 평가
  • 배관마다 수정 가능한 종합 반응 속도 계수 채용
  • 저수 탱크는 완전 반응 용기, 플러그 흐름(plug flow), 2층 반응 용기(two-compartment reactors)의 3가지 패턴으로 모델링 가능


또한, EPANET은 다음과 같은 정보도 제공한다.

  • 관 내 유량
  • 관 내 유속
  • 동수 경사
  • 절점에서의 수압
  • 오염 물질의 전파 상황
  • 잔류 염소 농도
  • 물의 체류 시간(water age)
  • 대체 시나리오의 해석

3. 데이터 입출력

EPANET은 바이너리 파일 형식을 사용하지만, dxf, 메타파일, ASCII 파일 형식으로 데이터를 가져오고 내보내는 기능도 포함하고 있다. EPANET의 ASCII 파일 형식은 EPANET 내에서 입력 파일이라고 불리며, 확장자 ".inp"를 사용한다.[4] 입력 파일은 네트워크 토폴로지, 물 소비량, 제어 규칙을 설명하는 데이터를 포함할 수 있으며, 많은 무료 및 상용 모델링 패키지에서 지원된다.

EPANET은 대부분의 배수 시스템 모델의 계산 엔진으로 사용되지만, 대부분의 모델은 EPANET의 계산 엔진을 기반으로 하는 수리 모델링 패키지에서 개발되고 유지 관리된다. 주요 수리 모델링 패키지 중 일부는 다음과 같다.

개발사제품명비고
Autodesk 계열사 이노비즈(Innovyze)[https://www.innovyze.com/en-us/products/water-distribution InfoWorks WS Pro, InfoWater Pro, and InfoWater]
Qatium[https://qatium.com Qatium]
Fluidit[https://www.fluidit.com Fluidit Water]
KYPipe, LLC[http://kypipe.com Pipe2000]
DHIMIKE URBAN
Bentley의 Haestad Methods (Hydraulics & Hydrology) 그룹WaterCAD, WaterGEMS, HAMMER, and SewerCAD
Transparent BlueWatDis
Newsoft[https://www.newsoft-eng.it/Software/Hydronet Hydronet]압력 네트워크(수도관, 화재 예방 시스템, 가스 네트워크) 계산 소프트웨어. IFC를 통한 BIM 상호 운용성 및 Shapefile을 통한 GIS 지원.
Streamstech Inc.WaterNAM, Water Network Analysis Model[8]
Giswater 협회Giswater오픈 소스 소프트웨어[9]
한국의 진보소프트(Jinbosoft)[https://gispipe.com GISpipe]GIS 시스템과 통합되어 상수도 네트워크의 분석, 설계 및 운영에 쉽게 사용되는 소프트웨어[10]
StudioARS Company[http://www.studioars.com/en/urbano_9_hydra/145/2 Urbano Hydra]상수도 네트워크의 수리학적 계산, 분석, 설계 및 운영에 사용되는 AutoCAD/Map3D/Civil3D 응용 소프트웨어. GIS 시스템과 통합되었으며 BIM 워크플로우를 지원
[https://www.nexusbr.com/en/ NEXUS GeoEngenharia][https://softwarepublico.gov.br/gitlab/gsan/geosan/wikis/home GeoSan][https://softwarepublico.gov.br/social/gsan www.softwarepublico.gov.br]에서 사용할 수 있는, 수도관 및 소비자 관리를 위한 오픈 소스 GIS 소프트웨어.
Diolkos3DWateNET-CAD
[https://www.esurveying.net]Esurvey WaterEPANET의 출력 파일은 LS를 생성하고 최종 도면을 표시하는 데 사용될 수 있다.



이러한 응용 프로그램의 대부분은 EPANET에서 지원하지 않는 여러 수요 조건, 계획 시나리오 및 기관에서 이미 보유하고 있을 수 있는 다른 데이터 소스(예: GIS)와의 통합 방법을 허용하며, EPANET에서 찾을 수 없는 추가 유형의 분석을 지원한다. ESurvey Water는 자동 설계 종단 프로파일을 생성하고 EPANET 및 기타 소프트웨어에서 수리 설계를 완료한 후 최종 출력을 자동으로 생성하도록 개발되었다.

EPANET은 바이너리 파일 형식을 사용하며, DXF, Windows 메타파일, ASCII 파일 형식을 이용한 가져오기 및 내보내기 기능을 제공한다. EPANET의 ASCII 파일 형식은 EPANET 내에서는 입력 파일이라고 불리며, 파일 확장자로 ".inp"[14]가 사용된다. 이 입력 파일 형식인 ".inp"는 물 사용량, 네트워크 토폴로지 및 제어 규칙을 나타내며, 많은 무료 및 상용 모델링 패키지에서 지원된다. 따라서, 이 ".inp"는 업계 표준으로 간주된다.

배수 시스템을 모델링할 때 길이 단위로 1. 피트(Feet), 2. 미터(Meters), 3. 도(Degrees), 4. None(임의 단위)을 선택할 수 있다. 미터(Meters)의 경우, X축, Y축 모두 (-3.4E38m ~ 3.4E38m)(즉, -3.4x1038m ~ 3.4x1038m)의 넓이로 배수 시스템을 모델링할 수 있다.

DXF 파일(.dxf)은 『DXF2EPA』라는 외부 기능을 통해 가져올 수 있다. https://www.water-simulation.com/wsp/2005/06/03/dxf2epa-autocad-dxf-file-conversion-utility-for-epanet/


  • DXF 파일(.dxf): CAD에 입력하여 편집 가능.
  • Windows Metafile(.emf): Microsoft Office Word 등에 붙여넣기 가능.
  • EPANET 고유 텍스트 파일(.map)

4. EPANET 툴킷

EPANET의 계산 엔진은 다른 애플리케이션에 통합할 수 있도록 별도의 동적 링크 라이브러리로 다운로드할 수 있다.[6] 미국 환경 보호청(EPA)의 EPANET 웹사이트에서 EPANET 2의 소스 코드를 구할 수 있다.[7]

2012년에는 C로 작성된 EPANET 툴킷이 더 객체 지향적인 스타일로 자바(Java)로 다시 작성되었다. 자바 코드는 GitHub(https://github.com/Baseform/Baseform-Epanet-Java-Library)에서 사용할 수 있다.[16]

5. 호환성

EPANET은 바이너리 파일 형식을 사용하지만, dxf, 메타파일, ASCII 파일 형식으로 데이터를 가져오고 내보내는 기능도 포함하고 있다. EPANET에서 ASCII 파일 형식은 입력 파일이라고 불리며, 확장자 ".inp"를 사용한다.[4] 입력 파일은 네트워크 토폴로지, 물 소비량, 제어 규칙을 설명하는 데이터를 포함할 수 있으며, 많은 무료 및 상용 모델링 패키지에서 지원된다.

EPANET은 대부분의 배수 시스템 모델의 계산 엔진으로 사용되지만, 대부분의 모델은 EPANET의 계산 엔진을 기반으로 하는 수리 모델링 패키지에서 개발되고 유지 관리된다. 주요 수리 모델링 패키지는 다음과 같다.

개발사제품명비고
오토데스크 계열사 Innovyze[https://www.innovyze.com/en-us/products/water-distribution InfoWorks WS Pro, InfoWater Pro, and InfoWater]
Qatium[https://qatium.com Qatium]
Fluidit[https://www.fluidit.com Fluidit Water]
KYPipe, LLC[http://kypipe.com Pipe2000]
DHIMIKE URBAN
Bentley의 Haestad Methods (Hydraulics & Hydrology) 그룹WaterCAD, WaterGEMS, HAMMER, and SewerCAD
Transparent BlueWatDis
Newsoft[https://www.newsoft-eng.it/Software/Hydronet Hydronet]압력 네트워크(수도관, 화재 예방 시스템, 가스 네트워크) 계산 소프트웨어. IFC를 통한 BIM 상호 운용성 및 Shapefile을 통한 GIS 지원.
Streamstech Inc.WaterNAM, Water Network Analysis Model[8]
Giswater 협회Giswater오픈 소스 소프트웨어[9]
한국 진보소프트(Jinbosoft)[https://gispipe.com GISpipe]GIS 시스템과 통합되어 상수도 네트워크의 분석, 설계 및 운영에 쉽게 사용되는 소프트웨어[10]
StudioARS Company[http://www.studioars.com/en/urbano_9_hydra/145/2 Urbano Hydra]상수도 네트워크의 수리학적 계산, 분석, 설계 및 운영에 사용되는 AutoCAD/Map3D/Civil3D 응용 소프트웨어. GIS 시스템과 통합되었으며 BIM 워크플로우를 지원
[https://www.nexusbr.com/en/ NEXUS GeoEngenharia], [https://softwarepublico.gov.br/social/gsan www.softwarepublico.gov.br][https://softwarepublico.gov.br/gitlab/gsan/geosan/wikis/home GeoSan]수도관 및 소비자 관리를 위한 오픈 소스 GIS 소프트웨어.
Diolkos3DWateNET-CAD
{https://www.esurveying.net]Esurvey WaterEPANET의 출력 파일은 LS를 생성하고 최종 도면을 표시하는 데 사용될 수 있다.



이러한 응용 프로그램의 대부분은 EPANET에서 지원하지 않는 여러 수요 조건, 계획 시나리오 및 기관에서 이미 보유하고 있을 수 있는 다른 데이터 소스(예: GIS)와의 통합 방법을 허용하며, EPANET에서 찾을 수 없는 추가 유형의 분석을 지원한다.

ESurvey Water는 자동 설계 종단 프로파일을 생성하고 EPANET 및 기타 소프트웨어에서 수리 설계를 완료한 후 최종 출력을 자동으로 생성하도록 개발되었다.

참조

[1] 웹사이트 EPANET - Water Research - US EPA https://www.epa.gov/[...] 2021-04-05
[2] 서적 "Computer Models/EPANET" in L. Mays, ed., Water Distribution Systems Handbook, Chapter 12 McGraw-Hill companies, Inc. 1999
[3] 서적 "the EPANET Water Quality Model" in B. Coulbeck, ed., Integrated Computer Applications in Water Supply, Vol. 2 Research Studies Press Ltd. 1993
[4] 간행물 EPANET 2 Users Manual 2000
[5] 논문 A gradient algorithm for the analysis of pipe networks John Wiley & Sons 1988
[6] 웹사이트 Programmer's Toolkit http://www.epa.gov/n[...] United States Environmental Protection Agency 2012-01-05
[7] 웹사이트 Application for Modeling Drinking Water Distribution Systems http://www.epa.gov/n[...] www.epa.gov
[8] 웹사이트 Streams Tech, Inc. {{!}} Products https://streamstech.[...] 2020-05-31
[9] 웹사이트 3.2.1 Quick start tutorial | Giswater https://archive.toda[...] 2015-07-14
[10] 웹사이트 GISpipe - GIS based EPANET and SWMM integration software. https://en.gispipe.c[...] 2020-05-31
[11] Youtube Urbano Hydra - YouTube https://www.youtube.[...]
[12] 서적 "Computer Models/EPANET" in L. Mays, ed., Water Distribution Systems Handbook, Chapter 12 McGraw-Hill companies, Inc. 1999
[13] 서적 "the EPANET Water Quality Model" in B. Coulbeck, ed., Integrated Computer Applications in Water Supply, Vol. 2 Research Studies Press Ltd. 1993
[14] 간행물 EPANET 2 Users Manual 2000
[15] 논문 A gradient method for the analysis of pipe networks 1987-09-08
[16] 웹사이트 Programmer's Toolkit http://www.epa.gov/n[...] United States Environmental Protection Agency 2012-01-05
[17] 서적 "the EPANET Water Quality Model" in B. Coulbeck, ed., Integrated Computer Applications in Water Supply, Vol. 2 Research Studies Press Ltd. 1993
[18] 간행물 EPANET 2 Users Manual 2000



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