PLS-SEM을 이용한 지역별 유수율 제고 수준 평가 모델 개발 = Development of a Regional Assessment Model for Revenue Water Ratio Improvement Level Using PLS-SEM

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Enhancing the operational efficiency of water supply systems is crucial for sustainable water resource management and ensuring a stable water supply. The Revenue Water Ratio (RWR) is a key indicator used to assess this efficiency. To improve the Revenue Water Ratio, activities such as pipeline maintenance, leakage detection, and water meter replacement are commonly implemented. However, despite these efforts, there is still a lack of effective methods to evaluate whether these systems are being operated efficiently, particularly in relation to the unique conditions and characteristics of each region.
Previous studies have utilized various methods to evaluate the efficiency of water supply systems. However, many of these studies have not adequately reflected the nuanced differences in water supply conditions across regions or have focused mainly on simple input-output ratios. As a result, they have faced
limitations in developing concrete and practical evaluation methods that account for regional specificities.
This study utilizes Partial Least Squares Structural Equation Modeling (PLS-SEM) and Data Envelopment Analysis (DEA) to identify the key factors influencing the improvement of the RWR and to examine the structural relationships among various Revenue Water Ratio enhancement projects. To evaluate the effectiveness of these projects, two scenarios were constructed. Scenario I employs project volume variables as measurement indicators, focusing on assessing the interactions between variables and their impact on changes in the RWR. Scenario II uses project cost variables, concentrating on analyzing the efficiency of resource allocation relative to project costs.
Through the evaluation of models in each scenario, the optimal model was identified. Based on this model's structure, the data were divided into three segments according to changes in the Revenue Water Ratio, enabling an analysis of the structural characteristics of the projects by regional characteristics. The volume of pipeline maintenance had the most significant impact on changes in RWR in areas with high leakage rates, likely due to the direct effect of maintenance in regions with severely deteriorated pipelines, which led to a reduction in leakage. In contrast, the volume of leakage detection and repair proved more effective in regions aiming for larger improvements in RWR, as the rapid detection and repair of leaks contributed to enhancing the RWR. The volume of water meter replacements contributed differently to RWR improvement across regions, with particularly significant effects in areas where replacing outdated meters improved the accuracy of water flow measurement, thereby enhancing the reliability of water consumption data.
These results indicate that the contribution of key factors can vary depending on regional characteristics and the extent of RWR changes.
Secondly, Data Envelopment Analysis (DEA) was applied to evaluate the efficiency of water supply systems across different regions. In this analysis, project cost and volume data were used as input variables, while output variables related to RWR increases were employed to assess the efficiency of each project unit. The DEA results revealed that regions with high efficiency were making more effective use of resources, whereas regions with low efficiency showed excessive inputs of certain variables or a lack of sufficient output variables.
Specifically, regions with insufficient pipeline maintenance or inadequate leakage detection activities received low efficiency scores. To enhance efficiency, it was recommended that these regions prioritize pipeline maintenance or intensify leakage detection efforts. This analysis offers a systematic evaluation of the operational status of water supply systems by region and provides valuable foundational data for improving efficiency in less effective areas.
Finally, based on the results of the study utilizing PLS-SEM and DEA, efficient and inefficient local governments were identified, and a comparative analysis was conducted using specific examples from each municipality. This study utilized PLS-SEM and DEA to evaluate the structural characteristics and efficiency of RWR improvement projects. The results allowed for the identification of efficient local governments and the establishment of relationships between the components of
RWR improvement projects, taking regional characteristics into account. These findings offer key data for planning RWR improvement initiatives and resource allocation. This research also establishes a framework for evaluating such projects and supports future studies considering regional factors.

국문 초록 (Abstract)

지속가능한 수자원 관리와 안정적인 물 공급을 위해 상수도 시스템의 운영 효율성을 높이는 것은 매우 중요한 문제이다. 상수도 시스템의 유수율은 운영 효율성을 평가하는 핵심 지표로, 이를 높이기 위해 관망 정비, 누수 탐사, 계량기 교체 등의 활동이 이루어지고 있다. 그러나 이러한 노력에도 불구하고, 지역별 여건과 특성을 반영하여 효율적으로 운영했는지 평가할 방안은 여전히 부족한 상황이다.
기존 연구는 상수도 시스템의 효율성 평가를 위해 다양한 기법을 활용했지만, 지역 간 상수도 여건의 차이를 세밀하게 반영하지 못하거나, 단순한 투입-산출 비율에 초점이 맞춰진 경우가 많았다. 이러한 연구들은 지역 특수성을 고려한 구체적이고 실질적인 평가 방안을 도출하는 데 한계가 있었다.
이에 본 연구는 PLS-SEM(Partial Least Squares Structural Equation Modeling)과 DEA(Data Envelopment Analysis)를 이용하여 유수율 향상의 주요 요인을 도출하고 유수율 제고 사업 간의 구조적 관계를 분석하였다. 연구에 앞서 유수율 제고 사업의 효과를 분석하기 위해 사업 물량 변수를 측정변수로 이용한 시나리오 I과 사업 비용 변수를 측정변수로 이용한 시나리오 II를 설정하여 분석 모델을 구성하였다. 시나리오 I은 사업 물량 데이터를 활용하여 각 변수 간의 상호작용과 유수율 증감에 미치는 영향을 평가하는 데 중점을 두었고, 시나리오 II는 사업 비용 데이터를 기반으로 자원 투입 대비 효율성을 분석하였다.
각 시나리오의 모델 평가를 통해 최적의 모델을 도출하였으며, 이 모델의 구조를 토대로 유수율 증감분을 기준으로 전체 데이터를 3구간으로 나누어 지역 특성별 사업의 구조적 특징을 분석하였다. 관망 정비량은 누수 발생률이 높은 지역에서 유수율 변화에 가장 큰 영향을 미쳤으며, 이는 관로의 노후화가 심각한 지역에서는 관망 정비를 통해 직접적인 누수 감소 효과를 얻을 수 있었기 때문으로 분석되었다. 반면, 누수 탐사 및 복구량은 상대적으로 목표하는 유수율 증감량이 많은 지역에서 더 효과적인 변수로 작용하였으며, 탐사를 통해 빠르게 누수를 탐지하고 복구함으로써 유수율 향상에 기여하였다. 계량기 교체량은 지역별로 유수율 향상에 다르게 기여하였으며, 특히 노후화된 계량기를 교체함으로 유량 측정의 정확도를 개선하여 수돗물 사용량 측정의 신뢰성을 높인 결과로 해석된다. 이러한 결과는 지역별 특성과 유수율 증감분에 따라 주요 요인의 기여도가 달라질 수 있음을 보여준다.
두 번째로, DEA를 적용하여 지역별 상수도 시스템의 효율성을 분석하였다. 분석에서는 투입 변수로 사업 비용과 물량 데이터를, 산출 변수로 유수율 증가와 관련된 변수를 사용하여 사업단위의 효율성을 평가하였다. DEA 결과, 효율성이 높은 지역은 상대적으로 자원을 효과적으로 활용하고 있었으며, 비효율적인 지역은 특정 투입 변수의 과도한 투입이나 산출 변수의 부족으로 인해 효율성이 낮게 나타났다. 특히, 관망 정비가 미흡하거나 누수 탐사 활동이 부족한 지역은 효율성 점수가 낮았으며, 개선을 위해 관망 정비 우선 지역으로 설정하거나 탐사 활동을 강화하는 방향이 제안되었다. 이러한 분석은 지역별 상수도 시스템의 운영 현황을 체계적으로 파악하고, 비효율적인 지역의 효율성을 향상시키기 위한 실질적인 기초 자료로 활용될 수 있다.
마지막으로, PLS-SEM과 DEA를 이용한 연구 결과를 통해 효율적인 지자체와 비효율적인 지자체를 선별하고, 각각 지자체를 예시로 들어 비교 분석하였다.
본 연구는 PLS-SEM과 DEA를 이용하여 유수율 제고 사업의 구조적 특성 및 효율성을 평가하였으며, 그 결과 사업 수행이 효율적인 지자체를 선별하고, 지역 특성에 따른 유수율 제고 사업 구성 요소 간의 관계성을 도출하였다. 이 결과는 실무자들이 유수율 제고 사업 계획을 수립하고 자원을 효율적으로 배분하는 데 기초 자료로 활용할 수 있을 것이며, 본 연구는 유수율 제고 사업의 체계적인 평가를 위한 기초 단계로서, 향후 다양한 지역 특성과 요인을 반영한 심층적인 후속 연구로 확장할 수 있을 것으로 판단된다.

목차 (Table of Contents)

• 제1장 서론 1
• 제1절 연구 필요성 및 목적 1
• 제2절 연구 내용 3
• 제2장 이론적 고찰 6
• 제1절 유수율의 정의 6
• 1. 유수율의 정의 및 수량수지 분류체계 6
• 2. 유수율 관련 선행 연구 대한 이론적 고찰 10
• 제2절 구조방정식모형(SEM) 11
• 1. 구조방정식모형의 정의 및 특징 11
• 2. 구조방정식 모형의 구조 및 종류 13
• 3. PLS-SEM 모형 구성 시 고려사항 및 평가 방법 23
• 4. PLS-SEM을 활용한 연구 동향 39
• 제3절 자료포락분석(Data Envelopment Analysis, DEA) 42
• 1. 효율성의 정의 42
• 2. 자료포락분석(DEA) 모형 43
• 제3장 연구 방법 48
• 제1절 연구 대상 지역의 현황 및 특성 48
• 1. 연구 대상 지역 선정 48
• 2. 분석 데이터 수집 49
• 제2절 구조방정식 모형 설계 53
• 1. 시나리오 설계 53
• 2. 구조방정식 모형 설계 55
• 3. 유수율 증감분의 구간 분류에 따른 모형 비교 61
• 4. 민감도 분석 62
• 제3절 DEA 분석을 이용한 효율성 분석 64
• 1. 투입 및 산출지표 선정과 시나리오 설정 64
• 2. DEA 분석 및 최적효율점 도출 66
• 제4장 연구 결과 67
• 제1절 연구 대상 지역 현황 및 특성 분석 67
• 1. 전체 유수율 증가분을 기준으로 한 기초통계 분석 결과 67
• 2. 유수율 증가분 구간을 기준으로 한 기초통계 분석 결과 70
• 제2절 구조방정식 모형 설계 및 평가결과 75
• 1. 시나리오Ⅰ-1(사업물량 기반 모형) 설계 및 평가결과 75
• 2. 시나리오Ⅰ-2(사업물량 기반 모형) 설계 및 평가결과 86
• 3. 시나리오 Ⅱ-1(비용기반 모형) 설계 및 평가 결과 95
• 4. 시나리오 Ⅱ-2(비용기반 모형) 설계 및 평가 결과 108
• 5. 시나리오 분석에 따른 종합 분석 결과 116
• 제3절 유수율 제고 사업 효율성 분석 결과 118
• 1. 시나리오 A의 효율성 분석 결과 118
• 2. 시나리오 B의 효율성 분석 결과 122
• 3. 시나리오 C의 효율성 분석 결과 126
• 4. 최적 시나리오 기반 유수율 증감율 구간별 분석결과 130
• 5. PLS-SEM 모형 기반 효율성 분석 종합 결과 135
• 제5장 결론 143
• 참고문헌 146
• Abstract 151
• 감사의 글 155