CN113123190A - 一种动物园专用道路自动化雪系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种动物园专用道路自动化雪系统及方法，涉及自动化雪技术领域，包括：路面发热模块、智能电力调度中心、供电模块、算法服务器和路面气象监测模块；智能电力调度中心分别连接路面发热模块、供电模块和算法服务器，路面气象监测模块与算法服务器相连；算法服务器获取路面气象监测模块的监测数据，基于监测数据计算路面发热模块的电力需求，向智能电力调度中心发送调度指令，使供电模块分配对应的电力至路面发热模块。本发明实时监测路面积雪情况，通过算法服务器计算当前积雪厚度所需的电力，指示智能电力调度中心配置供电模块电力输送至路面发热模块，及时消除积雪，避免对游客及动物园运营人员造成不便。

Description

一种动物园专用道路自动化雪系统及方法
技术领域
本发明涉及自动化雪技术领域，尤其涉及到一种动物园专用道路自动化雪系统及方法。
背景技术
目前，对于传统道路上积雪清除的方法包括人工扫雪和撒盐除雪两种，对于高寒地区，该两种方法均不能有效的解决道路积雪问题，对于人工扫雪需要大量的人力随时清扫，对于撒盐除雪法，雪融化后由于气温低，很快就结成了冰，导致路面更加难以行走。
对于动物园，在下雪天气路面会形成积雪或结冰，这都会影响游客及动物管理人员的正常活动，为了准时开门营业，需要在短时间内清除各道路积雪，如果采用人工扫雪和撒盐除雪都不能有效解决。
发明内容
为克服现有积雪清除方法的缺陷，本发明提供一种动物园专用道路自动化雪系统及方法，不需要人工参与，能够自动化实现精准计算积雪厚度及需使用的能量，合理调配能源，及时、快速、精准的对动物园积雪道路进行化雪清理，化雪后不会形成结冰，且化雪过程采用绿色新能源，环保可再生。
为实现上述目的，本发明的技术方案为：
一种动物园专用道路自动化雪系统，包括：路面发热模块、智能电力调度中心、供电模块、算法服务器和路面气象监测模块；
所述智能电力调度中心分别连接所述路面发热模块、所述供电模块和所述算法服务器，所述路面气象监测模块与所述算法服务器相连；
所述算法服务器获取所述路面气象监测模块的监测数据，基于所述监测数据计算所述路面发热模块的电力需求，向所述智能电力调度中心发送调度指令，使所述供电模块分配对应的电力至所述路面发热模块。
作为本发明的进一步改进，所述路面气象监测模块包括路面温度探测仪、风速仪、风向仪、风温度监测仪和路面积雪测量仪。
作为本发明的进一步改进，所述路面积雪测量仪采用雷达测距仪，所述雷达测距仪将与积雪表面探测点的距离值发送算法服务器，所述算法服务器中单片机根据距离值计算积雪厚度，公式为：
Figure BDA0003034059130000021
其中，
H为积雪的厚度；
Φ为雷达射线和立杆的夹角，为一常数；
H0为雷达距地面的距离，为一常数；
L为雷达测距仪的读数，即距离值。
作为本发明的进一步改进，所述路面发热模块包括反射层和发热层，在路基和柏油层之间自下而上依次铺设所述反射层和发热层。
作为本发明的进一步改进，所述供电模块包括一号蓄能机组、二号蓄能机组、风力发电机组和光伏发电机组，均与所述智能电力调度中心连接；
所述一号蓄能机组还连接所述路面气象监测模块、算法服务器；
所述二号蓄能机组连接水力发电机组，接收所述水力发电机组输出的电力；
所述风力发电机组和光伏发电机组通过所述智能电力调度中心向所述二号蓄能机组或路面发热模块提供电力。
作为本发明的进一步改进，所述水力发电机组安装于具有高度差的上下两个人工湖之间的泄水水渠中；
两个所述人工湖之间铺设有抽水蓄能管线，在路面没有积雪的天气，所述二号蓄能机组将风力发电机组和光伏发电机产生的电力用于所述抽水蓄能管线，将下方人工湖的水抽到上方人工湖中；
在路面出现积雪时，开启所述泄水水渠，通过所述水力发电机组产生电力输送至路面发热模块。
作为本发明的进一步改进，两个所述人工湖中均安装水位监测仪，且均与所述算法服务器连接；
所述算法服务器通过两个所述水位监测仪监测上下两人工湖水位情况，预测水力发电机组电力储备情况。
作为本发明的进一步改进，两个所述人工湖均与雨水收集装置连接，通过所述雨水收集装置回收雨水，补偿两个人工湖中水政府发产生的损耗。
作为本发明的进一步改进，所述算法服务器还连接有气象服务网络；
所述算法服务器通过所述气象服务网络获取风速和光照预测情况，并结合风力发电机组和光伏发电机组的发电参数，预测发电量；
所述算法服务器通过获取到的所述路面气象监测模块的监测数据，修正所述预测发电量。
一种基于如上所述的动物园专用道路自动化雪系统的方法，包括步骤：
所述路面气象监测模块实时监测并获取路面动态信息；
所述算法服务器获取所述气象服务网络信息，并结合所述路面动态信息计算路面积雪厚度、路面积雪所需电力，预测风力发电机组和光伏发电机组的实时发电量；
若得到所述路面积雪厚度为零，所述算法服务器发送调度指令控制智能电力调度中心将所述风力发电机组和所述光伏发电机组产生的电力输入二号蓄能电池，为抽水蓄能管线的水泵提供动力；
若得到所述路面积雪厚度不为零，所述算法服务器根据所述路面积雪所需电力、风力发电机组和光伏发电机组的实时发电量情况发送调度指令，控制智能电力调度中心将所述二号蓄能机组的电力和/或风力发电机组、光伏发电机组的电力输送到路面发热模块。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明通过路面气象监测模块实时监测路面积雪情况，发现路面积雪后通过算法服务器计算当前积雪厚度所需的电力，并指示智能电力调度中心配置供电模块电力输送至路面发热模块，及时消除积雪，避免对游客及动物园运营人员造成不便。
本发明发热模块中通过在发热层下方设置反射层，使加热层产生的热量能够更好的提供到地面积雪处，提高了能源利用率及积雪融化效率。
本发明中供电模块采用风力、光伏、水力发电机组，在路面没有积雪的天气将风力和光伏发电机组产生的电力用于高处人工湖的蓄水，在路面产生积雪的天气开启泄水水渠，通过水力发电机组转换成电力，为路面发热模块提供电力供应，实现了动物园区域内中能源的合理利用，并通过智能电力调度中心实现了道路自动化雪系统的能源优化配置和供需平衡。
本发明中为水力发电机组建设蓄水人工湖，蓄水人工湖可与雨水收集系统连接，回收的雨水用来补偿水蒸发的损耗，避免能源的浪费；同时人工湖湖水除了蓄能，还可以改变动物园的微气候，为动物及游客创造了舒适的环境。
附图说明
图1为本发明一种实施例所述的动物园专用道路自动化雪系统示意图；
图2为本发明一种实施例所述的路面积雪厚度计算原理示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
下面结合附图对本发明做进一步的详细描述：
如图1所示，本发明提供的一种动物园专用道路自动化雪系统，包括：路面发热模块、智能电力调度中心、供电模块、算法服务器和路面气象监测模块，路面气象监测模块监测路面积雪厚度并输入算法服务器，算法服务器根据积雪厚度，需清理道路长度计算化雪所需的电力并给出化雪时间，向智能电力调度中心发送调度指令，智能电力调度中心将供电模块的电力合理调度，为系统数据采集、通讯、路面发热提供电力支持，完成道路自动化雪。
本发明路面发热模块包括反射层和发热层，发热层采用碳纤维发热材料，优选德国CARBONTEC有限公司出品的电热膜，在动物园专用道路的路基上依次铺设反射层和发热层，发热层上面铺柏油层，同时可以根据动物园道路的具体情况选择站点，分布式铺设发热模块，铺设完成后将发热层电路连接智能电力调度中心。
本发明供电模块包括一号蓄能机组、二号蓄能机组、风力发电机组和光伏发电机组，均连接到智能电力调度中心，一号蓄能机组为工业UPS电源，在智能电力调度中心控制下为系统数据采集、通讯提供电力，主要包括路面气象监测模块、算法服务器、气象服务网络及他们之间的通讯；二号蓄能机组一方面通过智能电力调度中心获得春夏秋季节风力发电机组和光伏发电机组产生的电力，并将获得的电力用作人工湖的抽水蓄能管线的动力，把山下人工湖的水，抽到山上人工湖；另一方面获取人工湖之间的水力发电机组产生的电力，通过智能电力调度中心连接路面发热模块，为发热层提供电力。
本发明路面气象监测模块包括温度探测仪、路面积雪测量仪、风速仪、风向仪、风温度监测仪，分别获取积雪表面温度、积雪厚度、路面上空风速、风向、风温度，并传输至算法服务器；其中，路面积雪测量仪采用雷达测距仪并配合单片机，雷达测距仪将与积雪表面探测点的距离值发送单片机，单片机程序计算积雪厚度。
本发明算法服务器是自动化雪系统的总指挥中心，一方面，算法服务器连接并获取路面气象监测模块的监测数据，计算路面发热模块电力需求；另一方面，算法服务器连接气象服务网络，通过气象服务网络获取风速和光照情况，并根据路面气象监测模块监测到的路面上空风速、风向、风温度用于修正气象服务网络的气象信息，得到准确的气象信息，使算法服务器能结合光伏发电机组和风力发电机组的发电参数，预知光伏发电机组和风力发电机组在未来一段时间的发电情况，即预测发电量；最终算法服务器根据路面发热模块电力需求向智能电力调度中心发送调度指令，使智能电力调度中心将风力发电机组和光伏发电机组产生的电力输送至路面发热模块，和/或将二号蓄能机组中的电力输送至路面发热模块；
其中，积雪厚度、雪表面温度用于计算化雪所需的电力，路面上空风速、风向、风温度用于修正气象服务网络的气象信息，进而获得风力发电机组的准确发电量；路面气象监测模块可安装在立杆上，并在道路一侧均匀设置多个安装有路面气象监测模块的立杆，用于检测道路上各位置的积雪情况，进而更精确的计算总积雪量及化雪所需的电力；
其中，
如图2所示，积雪厚度的计算公式为：
Figure BDA0003034059130000051
H为积雪的厚度；
Φ为雷达射线和立杆的夹角，为一常数；
H0为雷达距地面的距离，为一常数；
L为雷达测距仪的读数，即距离值。
根据积雪厚度计算总积雪量，过程如下：
设路宽为G，路长为R，积雪厚度为H，可通过多个立杆上的路面气象监测模块监测的积雪厚度求平均值。
则当前总积雪量V1＝G*R*H
若路面积雪温度为t2，雪融化的温度为t1，雪的密度为ρ，又热量计算公式为Q＝CmΔt，C为水的热容比，m为雪的体积，Δt为雪的温度和融化后水的温差，则化雪所需的热量Q0＝C(ρ*V1)(t2-t1)；
因此，雪融化所需要的电力＝Q0/(发热效率*工程系数)。
本发明中的水力发电机组安装于具有高度差的两个人工湖之间的泄水水渠中，泄水水渠上端位于上方人工湖内部，不会受冬季湖面结冰影响；两个人工湖中均安装水位监测仪并与算法服务器连接，两个人工湖之间铺设有抽水蓄能管线，二号蓄能机组获取风力发电机组和光伏发电机组产生的电力，为抽水蓄能管线提供动力；
本发明中人工湖的体积可根据动物园情况进行计算，具体计算过程如下：
假设路面宽为G，路总长为R，则有道路总面积S＝G*R；
假设路面气象年降雪量为f，f为年降雪量总厚度，则有降雪体积V＝S*f；
为简化计算，假设雪的密度ρ＝1，则有路面积雪的质量M＝V*1＝S*f＝G*R*f；
根据热量计算公式Q＝CmΔt，C为水的热容比，m为雪的体积，Δt为雪的温度和融化后水的温差，为简化计算，假设Δt＝1，则计算出路面化雪所需的热量Q＝C*G*R*f；
人工湖的势能Ep＝mgh；
因此，人工湖中需具有水的质量m＝(C*G*R*f*工程系数)/gh，水的密度为1，所以人工湖应具有的体积大小＝(C*G*R*f*工程系数)/gh；
g为重力加速度；h为山上人工湖距水力发电机组的垂直高度。
一种基于如上所述的动物园专用道路自动化雪系统的方法，包括步骤：
S1、路面气象监测模块实时监测并获取路面动态信息；
其中，路面气象监测模块包括路面温度探测仪、风速仪、风向仪、风温度监测仪和路面积雪测量仪，分别获取积雪表面温度、积雪厚度、路面上空风速、风向、风温度，并传输至算法服务器；路面积雪测量仪采用雷达测距仪，雷达测距仪采集与积雪表面探测点的距离值。
S2、所述算法服务器获取所述气象服务网络信息，并结合所述路面动态信息计算路面积雪厚度、路面积雪所需电力，预测风力发电机组和光伏发电机组的实时发电量；
其中，
算法服务器通过雷达测距仪与积雪表面探测点的距离值计算积雪厚度，公式为：
Figure BDA0003034059130000071
H为积雪的厚度；
Φ为雷达射线和立杆的夹角，为一常数；
H0为雷达距地面的距离，为一常数；
L为雷达测距仪的读数，即距离值。
算法服务器通过积雪厚度及系统中记录的路面长度信息计算路面积雪所需电力：设路宽为G，路长为R，积雪厚度为H，可通过多个立杆上的路面气象监测模块监测的积雪厚度求平均值。
则当前总积雪量V1＝G*R*H
若路面积雪温度为t2，雪融化的温度为t1，雪的密度为ρ，又热量计算公式为Q＝CmΔt，C为水的热容比，m为雪的体积，Δt为雪的温度和融化后水的温差，则化雪所需的热量Q0＝C(ρ*V1)(t2-t1)；
因此，雪融化所需要的电力＝Q0/(发热效率*工程系数)。
算法服务器通过风速仪、风向仪、风温度监测仪及气象服务网络信息，系统中记录的风力发电机组和光伏发电机组的发电参数，预测实时发电量。
S3、若得到所述路面积雪厚度为零，所述算法服务器发送调度指令控制智能电力调度中心将所述风力发电机组和所述光伏发电机组产生的电力输入二号蓄能电池，为抽水蓄能管线的水泵提供动力；
S4、若得到所述路面积雪厚度不为零，所述算法服务器根据所述路面积雪所需电力、风力发电机组和光伏发电机组的实时发电量情况发送调度指令，控制智能电力调度中心将所述二号蓄能机组的电力和/或风力发电机组、光伏发电机组的电力输送到路面发热模块。
实施例：
本发明提供了一种动物园专用道路自动化雪系统，实施过程如下：
(1)在路面下铺设电热膜。选择园区内主干道、不冬眠的动物园区及工作人员活动区域作为站点，对站点内道路铺设电热膜，首先在地基上铺设发射层，再铺设电热膜，并将电热膜电路连接至智能电力调度中心，在电热膜上层铺设柏油层，在柏油路面内置温度传感器获取路面加热温度。
(2)铺设电热膜的道路一侧安装有立杆，立杆上安装监测路面温度的温度探测仪以及路面积雪测量仪，以及捕获实时动态信息的风速仪、风向仪和风温度监测仪，并全部接入算法服务器。
(3)在园区内或周边合适区域布设风力发电机组和光伏发电机组，并接入智能电力调度中心；在山上山下挖设人工湖，两人工湖分别与雨水收集系统连接，在两人工湖之间分别布设专用抽水管线和挖设泄水水渠，将水力发电机组安装于两个人工湖之间的最佳坡位，并给山下人工湖灌满水。
(4)布置蓄能机组，设置一个工业UPS电源作为一号蓄能机组，连接至智能电力调度中心，为化雪系统的设备运行及通讯提供电力；设置二号蓄能机组连接至智能电力调度中心及水力发电机组，收集水力发电机组产生的电力，向人工湖之间的抽水蓄能管线提供电力。
(5)将算法服务器通讯连接气象服务网络。
本发明还提供了一种动物园专用道路自动化雪系统，工作过程如下：
在春、夏、秋三个季节，太阳能发电机组和风力发电机组所发出的电力用来提供给人工湖抽水蓄能管线水泵动力。在三个季节，把山下人工湖的水，抽到山上人工湖；冬季到来后，路面出现积雪时，山上人工湖开启泄水水渠，通过水力发电机组将水的势能转换为电能输入二号蓄能机组用于电热膜供电。
(1)立杆上温度探测仪、路面积雪测量仪、风速仪、风向仪和风温度监测仪实时获取路面动态信息，并传输至算法服务器；
(2)算法服务器根据路面积雪测量仪的数据计算积雪厚度，结合工作人员输入的日志信息，将暂不需要去的路面设定为暂不化雪，再根据温度探测仪的数据计算路面化雪所需的电力，算法服务器根据综合信息，包括当前时间、电热膜功率-电压关系、当前二号蓄能机组储能情况、风力发电机组、光伏发电机组当前发电情况(根据风速仪、风向仪和风温度监测仪及气象服务网络信息进行预估)，将光伏发电机组和风力发电机组所发的电力，不用作抽水蓄能管线水泵动力，也就是暂停抽水蓄能管线水泵动力，而把这些电力，调往路面发热模块，以及自动最优选择化雪时间，然后向智能电力调度中心输出相应的调度指令；
(3)智能电力调度中心根据调度指令信息向路面发热模块输送电力，供电后的电热膜开始向垂直于路面向上的方向，向路面积雪辐射红外线；同时，电热膜内互相碰撞的碳分子团也产生热以供化雪。
(4)算法服务器接收到路面积雪测量仪数据，计算得到积雪已融化完成，则向智能电力调度中心发送新的电力输送调度指令。
(5)智能电力调度中心按照新的电力输送调度指令，执行电力调度。
本发明的优点：
(1)通过路面气象监测模块实时监测路面积雪情况，发现路面积雪后通过算法服务器计算当前积雪厚度所需的电力，并指示智能电力调度中心配置供电模块电力输送至路面发热模块，及时消除积雪，避免对游客及动物园运营人员造成不便。
(2)发热模块中通过在发热层下方设置反射层，使加热层产生的热量能够更好的提供到地面积雪处，提高了能源利用率及积雪融化效率。
(3)供电模块采用风力、光伏、水力发电机组，将春夏秋季风力和光伏发电机组产生的电力用于高处人工湖的蓄水，在冬季开启泄水水渠，通过水力发电机组转换成电力，为路面发热模块提供电力供应，实现了动物园区域内中能源的合理利用，并通过智能电力调度中心实现了道路自动化雪系统的能源优化配置和供需平衡。
(4)为水力发电机组建设蓄水人工湖，蓄水人工湖可与雨水收集系统连接，回收的雨水用来补偿水蒸发的损耗，避免能源的浪费；同时人工湖湖水除了蓄能，还可以改变动物园的微气候，为动物及游客创造了舒适的环境。
(5)通过在道路一侧均匀设置多个安装有路面气象监测模块的立杆，对道路积雪厚度求取平均值，进而获得更加精确的积雪量及对应的化雪所需的热量，进而更加合理的调配供电模块的电力资源。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种动物园专用道路自动化雪系统，其特征在于，包括：路面发热模块、智能电力调度中心、供电模块、算法服务器和路面气象监测模块；
所述智能电力调度中心分别连接所述路面发热模块、所述供电模块和所述算法服务器，所述路面气象监测模块与所述算法服务器相连；
所述算法服务器获取所述路面气象监测模块的监测数据，基于所述监测数据计算所述路面发热模块的电力需求，向所述智能电力调度中心发送调度指令，使所述供电模块分配对应的电力至所述路面发热模块。
2.根据权利要求1所述的自动化雪系统，其特征在于：所述路面气象监测模块包括路面温度探测仪、风速仪、风向仪、风温度监测仪和路面积雪测量仪。
3.根据权利要求2所述的自动化雪系统，其特征在于：所述路面积雪测量仪采用雷达测距仪，所述雷达测距仪将与积雪表面探测点的距离值发送算法服务器，所述算法服务器中单片机根据距离值计算积雪厚度，公式为：
Figure FDA0003034059120000011
其中，
H为积雪的厚度；
Φ为雷达射线和立杆的夹角，为一常数；
H0为雷达距地面的距离，为一常数；
L为雷达测距仪的读数，即距离值。
4.根据权利要求1所述的自动化雪系统，其特征在于：所述路面发热模块包括反射层和发热层，在路基和柏油层之间自下而上依次铺设所述反射层和发热层。
5.根据权利要求1所述的自动化雪系统，其特征在于：所述供电模块包括一号蓄能机组、二号蓄能机组、风力发电机组和光伏发电机组，均与所述智能电力调度中心连接；
所述一号蓄能机组还连接所述路面气象监测模块、算法服务器；
所述二号蓄能机组连接水力发电机组，接收所述水力发电机组输出的电力；
所述风力发电机组和光伏发电机组通过所述智能电力调度中心向所述二号蓄能机组或路面发热模块提供电力。
6.根据权利要求5所述的自动化雪系统，其特征在于：所述水力发电机组安装于具有高度差的上下两个人工湖之间的泄水水渠中；
两个所述人工湖之间铺设有抽水蓄能管线，在路面没有积雪的天气，所述二号蓄能机组将风力发电机组和光伏发电机产生的电力用于所述抽水蓄能管线，将下方人工湖的水抽到上方人工湖中；
在路面出现积雪时，开启所述泄水水渠，通过所述水力发电机组产生电力输送至路面发热模块。
7.根据权利要求1所述的自动化雪系统，其特征在于：两个所述人工湖中均安装水位监测仪，且均与所述算法服务器连接；
所述算法服务器通过两个所述水位监测仪监测上下两人工湖水位情况，预测水力发电机组电力储备情况。
8.根据权利要求1所述的自动化雪系统，其特征在于：两个所述人工湖均与雨水收集装置连接，通过所述雨水收集装置回收雨水，补偿两个人工湖中水政府发产生的损耗。
9.根据权利要求1所述的自动化雪系统，其特征在于：所述算法服务器还连接有气象服务网络；
所述算法服务器通过所述气象服务网络获取风速和光照预测情况，并结合风力发电机组和光伏发电机组的发电参数，预测发电量；
所述算法服务器通过获取到的所述路面气象监测模块的监测数据，修正所述预测发电量。
10.一种基于权利要求1～9所述的动物园专用道路自动化雪系统的方法，其特征在于，包括步骤：
所述路面气象监测模块实时监测并获取路面动态信息；
所述算法服务器获取所述气象服务网络信息，并结合所述路面动态信息计算路面积雪厚度、路面积雪所需电力，预测风力发电机组和光伏发电机组的实时发电量；
若得到所述路面积雪厚度为零，所述算法服务器发送调度指令控制智能电力调度中心将所述风力发电机组和所述光伏发电机组产生的电力输入二号蓄能电池，为抽水蓄能管线的水泵提供动力；
若得到所述路面积雪厚度不为零，所述算法服务器根据所述路面积雪所需电力、风力发电机组和光伏发电机组的实时发电量情况发送调度指令，控制智能电力调度中心将所述二号蓄能机组的电力和/或风力发电机组、光伏发电机组的电力输送到路面发热模块。
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