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구자용 상하수도시스템연구실
서울시립대학교 환경공학부 구자용 교수
Water quality prediction
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구자용 상하수도시스템연구실

서울시립대학교 환경공학부 구자용 교수

구자용 상하수도시스템연구실은 서울시립대학교를 기반으로 상하수도 분야의 첨단 연구와 혁신을 선도하는 연구실입니다. 본 연구실은 '배움과 혁신의 힘, 지속 가능한 물관리의 자부심'이라는 슬로건 아래, 도시의 상하수도 시스템이 직면한 다양한 문제를 해결하기 위해 실용적이고 과학적인 연구를 수행하고 있습니다. 연구실의 주요 연구 분야는 상하수도관망의 효율적 운영, 노후관의 진단 및 최적 교체 시기 예측, 실시간 모니터링 및 스마트 자산관리 시스템 개발 등입니다. 특히, IoT 센서와 빅데이터, 인공지능 등 4차 산업혁명 기술을 접목하여 상하수도 시스템의 상태를 실시간으로 진단하고, 예측 모델을 통해 유지관리 및 투자계획의 합리화를 도모하고 있습니다. 이를 통해 누수, 파손, 부식 등 다양한 문제를 사전에 예방하고, 도시의 물 공급 안정성과 서비스 품질을 높이고 있습니다. 또한, 본 연구실은 지속가능한 물관리 실현을 위해 환경영향 최소화, 에너지 절감, 탄소중립 등 환경적 가치를 고려한 연구도 활발히 진행하고 있습니다. 도시화, 인구구조 변화, 기후변화 등 미래 환경 변화에 대응할 수 있는 상하수도 시스템의 혁신적 발전을 목표로, 정책 수립과 현장 적용이 가능한 실질적 솔루션을 제시하고 있습니다. 연구실은 다수의 국내외 논문 발표, 특허 출원, 정부 및 공공기관 연구과제 수행 등 활발한 학술 및 실무 활동을 통해 상하수도 분야의 학문적·산업적 발전에 크게 기여하고 있습니다. 또한, 다양한 산학협력과 현장 적용을 통해 연구성과의 실질적 확산과 사회적 가치 창출에도 앞장서고 있습니다. 앞으로도 구자용 상하수도시스템연구실은 첨단 기술과 융합적 사고를 바탕으로, 도시 인프라의 지속가능한 발전과 깨끗하고 안전한 물 공급을 위한 혁신적 연구를 지속해 나갈 것입니다.

Water quality predictionExplainable AIDOMLeakage detectionWater distribution network
대표 연구 분야
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설명가능 AI 기반 수질 예측 및 공정 최적 제어
Explainable AI for Water Quality Prediction and Treatment Optimization
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상수관망 누수 감지 및 수압계·계측 최적 배치
Leakage Detection and Optimal Placement of Pressure Monitoring in Water Networks
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GIS·SCADA 기반 상수도시설 자산관리 및 장기 투자 최적화
Asset Management Optimization for Water Utilities Using GIS and SCADA Data
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연구 성과 추이
표시된 성과는 수집된 데이터 기준으로 산출되며, 일부 차이가 있을 수 있습니다.
주요 논문
2
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1
Article
|
인용수 0
·
2026
Feature-engineered machine learning for daily-scale prediction of effluent total phosphorus and coagulant dosing optimization in full-scale DAF systems
Haekeum Park, Gyumin Jeong, Yoojin Oh, Taehyeon Kim, Mincheol Kim, JaYong Koo
IF 2.6 (2026)
Water Science & Technology
ABSTRACT This graphical abstract illustrates the proposed framework for daily-scale prediction of effluent total phosphorus (T-P) and sensitivity-based optimization of coagulant dosing in a full-scale DAF system, integrating data preprocessing, machine learning, and operational decision support. Effective phosphorus control in dissolved air flotation (DAF) systems is essential for regulatory compliance in full-scale wastewater treatment plants, yet operational decisions are often constrained to daily time scales due to limited online sensing. This study proposes an interpretable, feature-engineered machine-learning framework for daily prediction of effluent total phosphorus (T-P) and sensitivity-based optimization of coagulant dosing in a full-scale municipal DAF system (410,000 m3/day). Long-term operational, water-quality, and meteorological data (1,096 days) were preprocessed using three-sigma outlier screening and multivariate imputation by chained equations (MICE). Mechanistically informed features capturing influent loading, operational conditions, short-term variability of effluent T-P (1–3 day difference-based features), and seasonal effects were incorporated. Among the evaluated models, Random Forest achieved the best performance (Test R2 = 0.818; RMSE = 0.032 mg/L), corresponding to a prediction error within 20% of the discharge limit (0.2 mg/L). SHAP analysis identified influent T-P, coagulant dosage, and short-term variation as dominant drivers across seasons. A sensitivity-based autoregressive simulation indicated that optimized dosing could reduce coagulant consumption by 32–51%, yielding an estimated annual cost saving of 1.53 billion KRW while improving effluent stability. The proposed framework demonstrates the practical value of daily-scale, interpretable machine learning for data-driven DAF operation.
https://doi.org/10.2166/wst.2026.256
Effluent
Dosing
Phosphorus
Mean squared error
Sewage treatment
Wastewater
Autoregressive–moving-average model
2
Article
|
인용수 1
·
2026
Explainable AI-based modeling of chlorophyll-a using water quality and DOM characteristics: Toward interpretable prediction and actionable management strategies
Ji Woo Han, Yeon Jung Cho, In Gu Ryu, Ji-Hyun Park, Taegu Kang, JaYong Koo
IF 7.3 (2026)
Ecological Informatics
Chlorophyll-a (Chl-a) is a key indicator of eutrophication and algal blooms in freshwater ecosystems. This study aimed to improve Chl-a prediction through a novel integrative approach that combines the optical and structural characteristics of dissolved organic matter (DOM) with machine learning and explainable artificial intelligence techniques. Weekly data were collected over one year (Apr 2023–Apr 2024) from four sites in the Yanghwa Stream, South Korea. Machine learning models (Random Forest, Gradient Boosting Machine, and Extreme Gradient Boosting) were developed using 34 input variables encompassing 15 traditional water quality parameters, 8 ultraviolet–visible (UV–Vis) optical indices, and 11 liquid chromatography–organic carbon detection (LC–OCD) components. Extreme Gradient Boosting showed the best performance (R 2 = 0.7318, RMSE = 4.3827). SHapley Additive exPlanations analysis identified total nitrogen, total organic carbon, spectral slope ratio (S R ; ratio of S 275–295 to S 350–400 ), and Molecularity (nominal average molecular weight of the humic substances fraction derived from LC-OCD) as major contributors, highlighting the importance of DOM composition in Chl-a variability. Counterfactual analysis further revealed model-guided adjustment scenarios for reducing high Chl-a concentrations to below the threshold (12.2 mg/m 3 ; 75th percentile), emphasizing the importance of variables such as total nitrogen, pHosphate, Molecularity, and S R as key indicators within the learned model. In conclusion, this integrated approach combining DOM characteristics with explainable artificial intelligence techniques enhances prediction accuracy and interpretability and provides specific and practical strategies for the effective control of Chl-a in freshwater systems.
https://doi.org/10.1016/j.ecoinf.2026.103650
Water quality
Quality (philosophy)
Quality management
Data quality
Predictive modelling
최신 정부 과제
3
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1
2016년 8월-2021년 4월
|2,590,005,000원
ICT기반 상수도시설 스마트 자산관리 시스템 개발
본 과제는 ICT 기반 상수도시설 스마트 자산관리 통합시스템을 만들어 상수도 자산을 더 효율적으로 관리하고, 실제 사업화로 연결하는 연구임. 연구목표는 개발기술의 사업화 추진 및 운영실적 확보에 있음. 핵심 연구내용은 ICT 기반 상수도시설 스마트 자산관리 통합시스템 홍보 및 사업화 추진, 도입 효과분석 및 운영실적 확보, 개발기술 사업화 추진을 통한 도입 효과분석 및 운영실적 확보임. 기대효과는 통합 비용 저감 효과, 요소 기술 특허 획득을 통한 사업화임.
상수도시설
ICT
최적의사결정지원
스마트 자산관리 시스템
서비스 수준
2
2014년 5월-2017년 3월
|565,000,000원
상수도시설의 운영 및 자산관리 통합시스템 개발
본 과제는 상수도시설을 ‘돈과 시설’ 관점에서 체계적으로 관리하도록 지침, 운영 시스템, 데이터 기준을 만들고 현장에 적용해 검증하는 연구임. 연구목표는 상수도시설 자산관리 지침·매뉴얼, 상수도 운영 및 스마트 상수도 자산관리 통합시스템의 현장적용과 시범운영을 통해 신뢰성·활용성 검증, 운영 확대방안 제시임. 핵심 연구내용은 재정계획수립시스템 연계, 최적화 알고리즘 기반 예산 분배 및 투자관리 프로그램, 상수도시설 자산관리를 위한 회계 지침, 상수도시설물 DB 및 인벤토리 표준화, 상수도시설 자산관리 제도 개선(안) 법률검토 및 공청회, 세부 시스템 통합임. 기대효과는 수입대체, 안정적·효율적 최적 운영, 유지관리 사업에 대한 사회적 공감대 형성임.
상수도시설
자산관리지침
재정계획
운영시스템
자산관리 통합시스템
3
2006년 7월-2011년 3월
|962,510,000원
누수저감 최적운영 시스템의 실용화 및 현장적용성 기술 개발
본 과제는 상수도 배수관망에서 누수를 줄이기 위해 누수저감 최적운영시스템과 누수탐지 모니터링 시스템을 구축하고 현장 적용을 확대하는 연구임. 연구 목표는 누수방지·저감 통합시스템 운용, TDR기술 기반 누수탐지 시스템 개발, 모니터링 운영을 통한 누수저감 효과분석, RDT-1000A 시스템 효율성 향상 및 배수관망 수압최적화 경제성 평가임. 핵심 연구 내용은 상수관망 정보시스템·평가·운영 하위프로그램의 현장 확대적용, 배수블록 건전도 평가기술·배수량수지분석·수압최적화 및 경제성 평가 기술 적용, RTD-1000A 전용칩 개발로 저전력·저발열 소형화, 모니터링시스템 S/W 통합 솔루션 구축 및 운영임. 기대효과는 수자원 효율 확보, 환경 보전 및 산업 경쟁력 강화, 누수 감소에 따른 운영 효율 증대·재정 건실화, 비용절감·생산성 향상 및 정보인프라 연계 활용범위 확대임.
누수저감
GIS
상수관망 최적운영
배수수지
누수감지관
원격TDR 장비-1000
원격TDR장비-1000A
펄스파측정장비............................................................................................
최신 특허
특허 전체보기
상태출원연도과제명출원번호상세정보
등록2018상수관망 내 누수 감지를 위한 수압계 설치 위치 최적 선정방법1020180167712
등록2018수리해석 기반의 상수도관망 누수탐지 시스템1020180128515
등록2018상수도시설의 최적 자산관리시스템1020180026758
전체 특허

상수관망 내 누수 감지를 위한 수압계 설치 위치 최적 선정방법

상태
등록
출원연도
2018
출원번호
1020180167712

수리해석 기반의 상수도관망 누수탐지 시스템

상태
등록
출원연도
2018
출원번호
1020180128515

상수도시설의 최적 자산관리시스템

상태
등록
출원연도
2018
출원번호
1020180026758
연구실 하이라이트
연구실의 정보를 AI가 요약해서 키워드 중심으로 정리해두었어요
스마트자산관리
ICT 기반 스마트 상하수도 자산관리 시스템
AI 요약 확인하기
AI예측진단
AI 기반 상수도관 부식 및 파손 예측 기술
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경제성최적화
데이터 기반 상하수도 투자 경제성 최적화 모델
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수질안전관리
실시간 수질 모니터링 및 소독 공정 최적화
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비개착갱생
비개착 관로 갱생 기술 및 시공 성능 평가
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산업리더십
상하수도 정책 및 기술 표준을 선도하는 연구역량
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