本发明涉及隧道防冻，具体涉及用于寒区隧道的太阳能与环路热管混合防冻系统及方法。
背景技术：
1、传统的隧道抗防冻系统通常依靠燃油或电力供应，存在能源浪费和环境污染的问题。而太阳能作为一种可再生能源，具有广泛的应用前景。因此，设计一种能够利用地热资源与太阳能的全自动反馈抗防冻系统，进行隧道抗防冻系统具有重要意义。
2、目前，虽然有将太阳能用于隧道口防冻，但是其并不能根据实际情况将隧道内部的热量与太阳能进行合理的配合供热，且控制也不够精准，使得整体的能源利用率不高。
技术实现思路
1、针对现有技术中的上述问题，本发明提供用于寒区隧道的太阳能与环路热管混合防冻系统及方法，以解决现有的隧道口防冻能源配合不合理，资源利用率不高的技术问题。
2、本发明采用的技术方案如下：
3、用于寒区隧道的太阳能与环路热管混合防冻系统，包括：太阳能收集装置、太阳能电能储存装置、环路热管系统、全自动反馈温度调控装置和取热防冻装置；
4、所述太阳能电能储存装置分别与所述太阳能收集装置和取热防冻装置电连接；所述环路热管系统与所述取热防冻装置连接；
5、所述环路热管系统、所述取热防冻装置以及太阳能电能储存装置均与所述全自动反馈温度调控装置电连接。
6、取热防冻装置安装在隧道洞口防冻段位置。
7、所述环路热管系统包括：多个环路热管取热单元、热量传输单元、以及抗防冻单元，所述环路热管取热单元位于隧道中部，所述抗防冻单元位于隧道洞口，热量传输单元连接在环路热管取热单元和抗防冻单元之间。这样便于利用隧道中部的高地温能量，传输热能并维持隧道需要抗防冻段的温度。
8、取热防冻装置包括安装在隧道洞口相同位置的太阳能电驱动防冻装置和环路热管的抗防冻单元，根据自动控制装置的指令，利用太阳能电驱动防冻装置或者环路热管的抗防冻单元对隧道进行抗冻工作。
9、本发明通过采用全自动反馈温度调控装置进行环路热管供热和太阳能供热的精确控制，实现了环路热管热量和太阳能能量准确配合使用。
10、本发明优选的用于寒区隧道的太阳能与环路热管混合防冻系统，太阳能电能储存装置还电连接隧道的照明系统和通风系统。
11、本发明的混合防冻系统，根据环热管的供热情况，当环热管的供热足够隧道洞口防冻时，储存的太阳能可转化成电能供给隧道内部运营期间的应急照明与通风，充分利用了太阳能。
12、本发明优选的用于寒区隧道的太阳能与环路热管混合防冻系统，所述太阳能收集装置包括太阳能板、伸缩柱、收藏装置、保护盖和控制器，所述太阳能板安装在所述伸缩柱上，所述收藏装置的顶部与所述保护盖的一端铰接，且铰接部位设置有弹性件，所述收藏装置位于地面以下，且所述收藏装置侧壁设置有控制器，所述太阳能板的圆周上设置有多个光感传感器，光感传感器与控制器电连接，所述太阳能板的上表面设置有清洁刷，清洁刷通过第一驱动装置驱动转动。
13、太阳能收集装置还包括多个第一伸缩气缸，多个第一伸缩气缸的一端间隔设置在伸缩柱上，另一端间隔设置于所述太阳能板的底部，且所述太阳能板的底部与伸缩柱万向铰接，控制第一伸缩气缸的伸缩，可实现太阳能板接受光照角度的调节。
14、当光感传感器检测到光强时，可将信号传输给控制器并实现太阳能板自动向强光方向转动，以便收集到更多的太阳能。
15、本发明优选的用于寒区隧道的太阳能与环路热管混合防冻系统，所述太阳能板包括若干个扇形光伏板单元，若干个扇形光伏板单元的一端铰接，相邻扇形光伏板单元侧面之间接触连接，每个所述扇形光伏板单元设置有一个第一伸缩气缸，第一伸缩气缸陆续伸缩带动相应的扇形光伏板单元沿铰接点向下运动，实现收缩，且可根据光强，通过第一伸缩气缸控制扇形光伏板单元的朝向，以获取更多的光照，所述伸缩柱的底部设置有第二伸缩气缸，实现伸缩柱的可伸缩，所述伸缩柱的底部设置有收藏装置，所述收藏装置位于地面以下，所述太阳能板和所述伸缩柱能完全收纳于所述收藏装置内部。这样能实现太阳能收集装置的完全收纳，避免恶劣气候以及其他危害情况损坏太阳能收集装置。
16、上述光感传感器、第一驱动装置、第一伸缩气缸和第二伸缩气缸均与控制器电连接。
17、本发明优选的用于寒区隧道的太阳能与环路热管混合防冻系统，所述太阳能板包括中心光伏板和多个光伏板单元，多个所述光伏板单元沿所述中心光伏板围合成一个圆形太阳能板。
18、所述伸缩柱包括第一伸缩柱和第二伸缩柱，所述第一伸缩柱的底部与收藏装置的底部连接，所述第一伸缩柱的顶部与所述第二伸缩柱的底部连接，所述第二伸缩柱的顶部铰接有多个光伏板单元。
19、所述光伏板单元包括矩形板和扇形板，一个矩形板和两个扇形板间隔分布，且一端均与中心光伏板铰接，其中矩形板和扇形板之间铰接，且相邻连接的扇形板之间也相互铰接，这样可实现光伏板单元的折叠收纳。
20、所述矩形板的底部与第二伸缩柱的侧壁之间设置有支架，支架的一端与所述矩形板的底部中间铰接，所述支架的另一端通过滑块与所述第二伸缩柱的侧壁滑动连接，具体是在第二伸缩柱的侧壁设置有滑槽，所述滑块在滑槽中滑动连接，且所述滑块连接有拉索的一端，所述拉索的另一端贯穿第二伸缩柱内部与所述第一伸缩柱的顶部连接。
21、为了便于在收纳太阳板时，滑块能顺利地滑动，在滑块与滑槽接触的一面设置有小滚轮。
22、本发明优选的用于寒区隧道的太阳能与环路热管混合防冻系统，所述全自动反馈温度调控装置包括长短期记忆网络lstm，用以预测隧道洞口温度和洞口防冻热量需求。
23、用于寒区隧道的太阳能与环路热管混合防冻方法，基于上述用于寒区隧道的太阳能与环路热管混合防冻系统，包括如下步骤：
24、步骤1：建立洞口温度预测模型和洞口热量需求预测模型；
25、步骤2：根据当前天气情况和历史温度数据采用洞口温度预测模型预测隧道洞口温度；根据历史的热量需求、预测的隧道洞口温度和当前天气情况预测洞口防冻热量需求；
26、步骤3：根据预测的的热量需求采用决策模型判断采用的抗防冻方式，所述抗防冻方式包括仅采取环路热管抗防冻系统防冻的方式以及采取环路热管抗防冻与太阳能电驱动抗防冻方式同时运行的方式。
27、本发明优选的用于寒区隧道的太阳能与环路热管混合防冻方法，所述步骤1中，所述洞口温度预测模型的输入数据包括：历史温度记录和当前天气情况，输出数据为隧道洞口温度；所述洞口热量需求预测模型的输入数据包括：历史的热量需求、预测的隧道洞口温度和当前天气情况，输出为预测的洞口防冻热量需求。
28、本发明优选的用于寒区隧道的太阳能与环路热管混合防冻方法，所述隧道洞口温度的预测公式如下：
29、t洞口_{predict}＝lstm(t洞口_{history},w洞口_{current})
30、其中，t洞口_{predict}是预测出的隧道洞口温度，t洞口_{history}是历史温度记录，w洞口_{current}是当天的天气情况；
31、所述洞口防冻热量需求的预测公式如下：
32、h需求_{predict}＝lstm(h洞口_{history},t洞口_{predict},w洞口_{current})；
33、其中，h需求_{predict}是预测的热量需求，h洞口_{history}是历史热量需求，t洞口_{predict}是预测的隧道洞口温度，w洞口_{current}是当前天气情况。
34、本发明优选的用于寒区隧道的太阳能与环路热管混合防冻方法，所述步骤3中，所述决策模型的状态输入包括当前的太阳能储备、预测的洞口热量需求和环路热管当前能提供的热量，模型的动作输出是决定采取环路热管抗防冻的方式，或两种抗防冻方式同时运行。
35、本发明优选的用于寒区隧道的太阳能与环路热管混合防冻方法，所述决策模型的奖励函数设计为：如果环路热管提供的热量满足洞口防冻的热量需求，则奖励为正，仅采取环路热管抗防冻的方式；反之，奖励为负，采取环路热管抗防冻的方式与太阳能电驱动抗防冻方式同时运行。
36、本发明优选的用于寒区隧道的太阳能与环路热管混合防冻方法，所述决策模型采用的控制策略公式如下：
37、a＝rl(s太阳能_{current},h需求_{pred ict},lhp环路热管_{current})
38、其中，a是决策的动作，s太阳能_{current}是当前太阳能储备能提供的热量，h需求_{pred ict}是预测的热量需求，lhp环路热管_{current}是当前环路热管抗防冻方式能提供的热量；
39、当环路热管系统的温度无法满足隧道防冻要求设定阈值时，全自动反馈温度调控装置将发出指令启动太阳能电能储存装置，将储存的太阳能电能供给电驱动防冻装置；
40、当环路热管系统的温度恢复到设定阈值以上时，全自动反馈温度调控装置将发出指令停止太阳能电能储存装置的电驱动防冻装置，太阳能将转换的电量传送至太阳能电能储存装置中进行储存，用于隧道内应急照明或者通风。
41、综上所述，相比于现有技术，本发明具有如下优点及有益效果：
42、1、本发明通过将太阳能收集转化成电能，用于隧道洞口抗防冻以及隧道运营应急照明和通风，实现了太阳能的充分利用，减少其他能源消耗。
43、2、本发明设置的全自动反馈温度调控装置，采用深度学习模型，长短期记忆网络(lstm)，来预测隧道洞口防冻段的温度，同时预测洞口防冻段需要的热量；并用强化学习方法(rl)来决定采取自驱动环路热管抗防冻的方式还是两种抗防冻方式同时运行，实现了供热的提前预判，以及供热方式的精确确定。
44、3、本发明将太阳能收集装置设置为可根据光照转动以收集更多的太阳能，且将整个太阳能收集装置设置为可完全收纳在收藏装置中置于地面下，极大地降低了被损坏的几率。