一种低碳智能化渠道边坡冻害防控系统与方法

本发明涉及渠道维护，具体涉及一种低碳智能化渠道边坡冻害防控系统与方法。

背景技术：

1、国家粮食安全已经成为国家安全的基础，为保障粮食产量，缓解区域水资源分布不均和提高农田抵御旱灾能力，我国先后修建了大量的渠道工程。渠道在服役过程中性能劣化成为制约农业水资源高效利用的刚性约束，尤其是在我国东北地区和西北地区。冻害的发生更进一步加剧了渠道破坏的发生频率和里程范围，由此冻胀导致的衬砌板底脱空、衬砌板之间互相搭接或局部滑动等破坏十分普遍，最终导致春融期出现大范围的滑坡。滑坡的出现不仅降低了渠道的输水效率还增加了后期的维修费用，因此成为水利渠道设计需要重点考虑的问题。综上所述，采用低碳方式设计科学的冻害防控方法，从微观上决定了渠道的服役性能和寿命，在宏观上则影响到国家粮食安全战略以及双碳战略的实施。

2、为了减轻冻害对边坡稳定性带来的不利影响，目前常采用控制填料的水分、密实度以及采用电加热的形式以减轻冻害的影响。但受降水的不确定性以及渠道渗流的长期性影响，渠坡内部土体的水分始终处于变化之中，加之冻融作用的影响，渠坡土体的密度亦随之发生改变，因此通过控制填料基本物理参数以抵消冻胀的方法对渠坡冻害的缓解十分有限。另一方面，尽管采用电加热的方式能够有效缓解冻胀的出现，但这种方法前期投入较高，并且当环境温度低于-20℃时，输入功率超过120 w/m，这对于线性工程-渠道边坡而言经济性较差，更为重要的是，我国北方寒区电力多为火电，而火力发电需要产生大量的co2，如若采用传统电加热方式缓解渠道边坡冻胀则会间接造成环境污染，这也不利于国家“双碳”目标的实施。因此，从经济性和可持续性角度而言，传统渠道防冻方法的普及并不现实。基于此，亟需根据渠道自身运行特点，构建低碳智能化渠道边坡冻害防治方法，提高寒区渠道的长期服役性能。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种低碳智能化渠道边坡冻害防控系统与方法，解决以下技术问题：

2、解决寒季渠道边坡冻胀变形诱发的边坡失稳；解决渠坡冻害防控中能耗高以及防冻效果欠佳的问题。

3、本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

4、一种低碳智能化渠道边坡冻害防控系统，包括铺设在渠道边坡表面的衬砌板，所述衬砌板的顶部固定设置有立柱和蓄电池，所述立柱的顶部连接有太阳能电池板，所述立柱外围固定连接有逆变器，所述逆变器用于将太阳能电池板产生的直流电转换为交流电输送至蓄电池中；

5、所述衬砌板的斜面固定设置有支撑底座，所述支撑底座用于固定支撑保温室，所述保温室内部设置有若干根热棒，所述热棒贯穿所述保温室的底部并伸入渠道冰面下方，所述保温室表面镶嵌有温差电池，所述温差电池通过密封胶与保温室连接，所述温差电池表面固定连接有散热片，所述温差电池通过电路将产生的电能输送至蓄电池中；

6、所述衬砌板下方边坡中埋设有发热膜，所述发热膜与所述衬砌板之间埋设有温度传感器，所述立柱外围还设置有数据记录仪，所述温度传感器将采集到的土体温度数据传输至所述数据记录仪，所述数据记录仪将温度数据通过无线传输至远程控制端。

7、一种低碳智能化渠道边坡冻害防控方法，应用于上述的一种低碳智能化渠道边坡冻害防控系统，包括以下步骤：

8、远程控制端自动读取各个温度传感器过去t天的温度，t为预设值，并采用长短期记忆网络算法lstm预测未来t+5天的土体温度，当预测连续出现5 天土体温度低于tthreshold，tthreshold为渠基土的起始冻结温度，直接对发热膜进行预热，保温室上部为4块串联的温差电池，保温室侧壁为通风门，通风门与控制器相连接，并通过远程控制端配合电动液压杆进行启闭；

9、当环境温度ta>0°c，远程控制端开启保温室两侧的通风门后自动进入休眠模式，此时ta≥保温室内部温度tinter_wall＞水温度twater，热棒处于停止工作状态，蓄电池供电来源于太阳能电池板；

10、当环境温度ta≤0°c，保温室两侧通风门自动关闭；所述热棒分为蒸发段、绝热段和冷凝段，其中热棒蒸发段在最大冰厚以下，此时ta<tinter_wall<twater，热棒开始工作将河流内部热量携带到保温室内部，此时tinter_wall高于ta，温差电池持续给蓄电池供电，远程控制端对每个温度传感器对应的发热膜进行单独控制加热，定时自动读取所有温度传感器的数值，当检测到土体温度tsoil＞0.5°c时，关闭发热膜的加热器。

11、作为本发明进一步的方案：lstm算法预测土体温度的具体步骤为：

12、获取历史土地温度数据，对土地温度数据进行预处理，创建时间序列数据，将历史温度数据分成输入序列和目标序列，使用过去t天的温度数据预测第t+1天的温度：

13、其中，表示过去t天的温度数据，表示第t+1天的温度数据；

14、lstm模型输入层接收输入序列通过lstm单元计算记忆单元状态和隐藏状态，输出门输出预测值，更新记忆单元状态公式如下：

15、其中，表示当前记忆单元状态，结合遗忘门输出和输入门输出更新；表示上一个时刻的记忆单元状态；表示候选记忆单元状态，基于当前输入和上一个隐藏状态生成的新信息，表示逐元素乘法；

16、隐藏状态计算公式如下：

17、其中，表示当前时刻的隐藏状态，即为lstm单元的输出；表示对当前记忆单元状态进行tanh变换，将值压缩到-1到1之间；表示输出门的输出；

18、输出门计算公式如下：

19、其中，表示输出门输出，用于决定记忆单元状态传递到隐藏状态的比例，所述比例位于0到1之间；表示输出门的权重矩阵；表示输出门的偏置向量；表示上一个时刻的隐藏状态；表示当前时刻的输入数据。

20、作为本发明进一步的方案：所述预处理的过程为：

21、删除缺失值和异常值，采用线性插值法进行填充，将温度数据进行归一化，将数据归一化到0到1之间，具体公式如下：

22、其中，为原始温度数据；为归一化后的数据；为温度序列中最大值；为温度序列中最小值。

23、作为本发明进一步的方案：对模型进行验证的过程为：

24、将历史土地温度数据分为训练集、验证集和测试集；并使用均方误差mse作为损失函数；使用adam优化器最小化损失函数，更新模型权重，mse计算如下：

25、其中，n表示样本数量；表示真实值；表示预测值，当mse低于预设阈值时，则表示模型合格。

26、作为本发明进一步的方案：当预测出未来t+5天内土体温度相对于当前土体温度的降低幅度大于预设阈值，则提前预热发热膜。

27、本发明的有益效果：

28、本发明中通过太阳能和温差电池，克服单一供电来源的缺陷，当冬季东北地区日照时间短，辐射低时，可以利用温差电池，将流水的温度转化成电能实现对电能的全天候持续补给，从而实现了对渠道边坡的长期维护，并基于远程控制端中所融入的长短期记忆网络算法，可以提前对土体起始冻结时间进行预测并提前开启加热器进行预热，从而防止土体冻结对渠道造成的损害和减少不必要的能耗。