冶金行业基于物联网的煤矿井下环境监测系统的研究与实现.docx

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冶金行业基于物联网的煤矿井下环境监测系统的研究与实现

（冶金行业）基于物联网的煤矿井下环境监测系统的研究与实现

分类号 密级

UDC学校代码10500

XXXXX学校

工程硕士学位论文

题目：

基于物联网的煤矿井下环境监测系统的研究与实现

英文题目：

ReserchandImplementationofEnvironmentMonitoringSystemforUndergroundCoalMineBasedonInternetofThings

学位申请人姓名：

XXXXX

申请学位领域名称：

计算机技术

指导教师姓名：

XXX教授

XXX副教授

二○一三年三月

分类号密级

UDC学校代码XXXX

XXXXX学校

工程硕士学位论文

题目基于物联网的煤矿井下环境监测系统的研究与实现

英文题目ReserchandImplementationofEnvironmentMonitoringSystemforUndergroundCoalMineBasedonInternetofThings

研究生姓名（签名）XXX

校内导师姓名（签名）XXX职称教授

校外导师姓名（签名）XXX职称副教授

申请学位领域名称计算机技术领域代码

论文答辩日期学位授予日期

学院负责人（签名）

评阅人姓名评阅人姓名

年月日

XXX大学

学位论文原创性声明和使用授权说明

原创性声明

本人郑重声明：

所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进行研究工作所取得的研究成果。

除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。

对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。

本声明的法律结果由本人承担。

学位论文作者签名：

                               日期：

    　 年  　 月 　  日

学位论文版权使用授权书

本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：

学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。

本人授权湖北工业大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。

学位论文作者签名：

         　　　　     指导教师签名：

日期：

    年   月   日         　　 日期：

    年   月    日

摘要

我国煤矿的开采大多为地下开采，地质复杂，工作环境十分恶劣，井下工作人员的生命财产安全难以得到有效保障，煤矿安全面临着重大的威胁。

亟需加强煤矿生产安全监控，减少煤矿灾害事故发生，更好的应对事故发生后进行及时抢救被困井下工作人员，最大程度降低国家和煤矿企业的财产损失。

然而现有的井下环境检测系统具有检测区域不全面、不能及时进行定位、扩展性差等不足。

物联网是在互联网的基础上，通过射频识别、无线通信、传感器网络技术，连接设备，进行信息交换和通信的虚拟网络。

无线传感器网络技术可以实时感知环境信息，能够相互传递信息，达到数据的实时监测，应用前景非常广泛。

基于此，本文结合煤矿井下环境特性，采用物联网技术，研究并实现了基于物联网的煤矿井下环境监测管理系统，对煤矿安全生产具有重要意义。

基于物联网的煤矿井下环境监测系统，以无线传感器网络为支撑，将监测信息包括多种环境状态参数、工作人员位置等，汇聚后实时传送到地面监控中心数据库，进行分析处理，为用户或者煤矿企业管理者提供数据支持。

系统完成了煤矿安全监测系统功能模块的设计开发，实现了煤矿井下环境检测系统的数据实时采集、处理与传输、人员定位、环境监测与预警、信息共享等功能，提高煤矿生产的安全性。

关键字：

煤矿井下，物联网，数据挖掘，环境监测

Abstract

China’scoalminingismainlycarriedoutundergroundwiththecomplicatedgeologicalconditionsandtheadverseworkingenvironment,whichisdirectlyrelatedtolifepropertysafetyofthecoalminer.Coalminesafetyproductionisfacingthegreatchallenge,thusitisveryurgenttostrengthenmonitoringontheproductionsafety,whichcaneffectivelyreduceoccurrencesofthecoalmineaccident,andimmediaterescuethetrappedminers,guaranteesafeoperationandlowerenterprise'sloss.However,thecurrentundergroundenvironmentdetectionsystemhassomeshortcomings,suchaslimiteddetectionundergroundarea,badrealtimecapability,poorexpansibilityetc.

TheInternetofThingsreferstouniquelyidentifiableobjectsandtheirvirtualrepresentationsinanInternet-likestructure,connectingdevicesbyradiofrequencyidentification,wirelesscommunication,sensornetwork,theexchangeofinformationandcommunications.AllkindsoftheenvironmentinformationcanbeobtainedbytheWSNtechnologyintime.WSNconsistsofspatiallydistributedsensorstomonitorenvironmentalconditions,suchastemperature,andtocooperativelypasstheirdataviathenetworktocontrolcenter,whichhasbroadapplicationrange.Therefore,thispaperdevelopstheenvironmentalmonitoringandmanagementsystemofcoalminebasedontheIOTtechnology,combiningwiththerequirementofthecharacteristicsofcoalmineenvironment,andhasgreatsignificationforcoalminesafetyproduction.

TheenvironmentalmonitoringsystemofcoalminebasedontheIOT,thevariousenvironmentalparametersandtheorientationoftheminerscanbegotbytheWSN,whichcangivetheinformationtomonitorcenterintime.Thesystemfunctionmoduleisdesignedandthefunctionsofallkindsofenvironmentmonitoringparameters,environmentalmonitoringandearlywarning,informationsharing,miner’slocationareachieved,thesafetyproductionofcoalmineisimproved.

Keywords:

Coalmine,IOT,datamining,environmentalmonitoring

摘要3

Abstract4

目录5

第一章绪论6

1.1课题背景与意义6

1.2国内外研究现状8

1.3论文研究的主要内容及组织结构10

第二章煤矿井下环境监测系统的相关技术11

2.1物联网概念11

2.2物联网体系结构12

2.3物联网设计原则14

2.3物联网的关键技术15

2.4本章小结18

第三章数据挖掘在煤矿井下环境监测系统中的应用19

3.1数据挖掘技术概述19

3.1.1数据挖掘的定义19

3.1.2数据挖掘的功能20

3.1.3数据挖掘的过程21

3.1.4数据挖掘的主要方法22

3.2数据挖掘的意义及应用23

3.3煤矿井下环境的数据挖掘23

3.3.1井下环境模糊聚类分析23

3.3.2井下监测环境危险等级模糊评价27

3.4本章小结28

第四章系统的体系结构与关键模块28

4.1系统的体系结构28

4.2功能模块及关系30

4.2.1系统功能模块30

4.2.2功能模块间关系32

4.3关键模块32

4.3.1GIS模块32

4.3.2SMS短信息34

4.3.3数据传输37

4.3.4环境预报警40

4.4本章小结40

第五章煤炭井下环境监测系统的设计与实现41

5.1系统的需求分析41

5.2系统的设计目标41

5.3系统设计42

5.4系统实现44

5.4.1系统开发环境44

5.4.2监测系统的实现44

5.5本章小结49

第六章总结与展望49

6.1工作总结49

6.2工作展望50

参考文献51

致谢55

第一章绪论

近年来，随着计算机互联网技术的快速发展，网络的应用和发展已经不能满足人与人之间正常的沟通的需求，物与物之间通过网络的信息交互成为人们追求的方向。

物物相连的互联网即物联网技术将大大推进社会的发展与进步，已经成为国内外研究的热点。

物联网技术应用到煤矿井下环境监测系统中，将大大提高煤矿安全生产现状，对煤矿的安全生产和国民经济的发展具有重大的现实意义。

1.1课题背景与意义

我国是煤炭资源丰富的国家，煤炭储量多而广，同时也是煤炭消费大国，对煤炭资源比较依赖。

我国95%以上的能源和80%以上的工业原料取自于煤矿[1]。

煤矿在未来相当长的时期内，作为主要能源的战略地位仍将不变。

煤矿开采需要大量的矿工进行井下作业，由于矿井内部环境复杂，生产条件恶劣，给开采工作带来了一定的危险度，煤矿安全事故时有发生，矿工的生命财产难以有效保障，据统计，世界上每年发生煤炭安全事故导致矿工死亡的人数超过千人。

煤矿开采安全管理对煤矿的生产起到支撑、保证作用，是煤矿生产的头等大事。

虽然近年来煤矿安全生产工作取得了显著成效，一些煤矿企业开始开发并装备了煤矿安全生产监控系统，一定程度上减少了煤矿事故的发生，安全生产状况有所改善[2,3]。

但是煤矿安全生产的依然严峻，井下开采生产装备落后，生产过程不能全面监控，尚不能有效遏制重大煤矿事故。

事故发生的后救援处理工作也存在着困难，被困矿工的分布和井下环境不能及时准确的掌握。

一旦事故发生，没有井下矿工的实时准确信息，难以做出抢救的决策部署，抢救时期将会被延误。

因此，对煤矿企业加强安全生产管理，不仅关系煤矿企业的发展，还将关系着国民经济的持久快速发展。

煤矿安全生产管理始终以“安全生产，预防为主”为方针，是一项十分复杂的系统过程，包括对井下开采等过程的监控，井下矿工位置的跟踪，及其作业的组织等的管理，为煤矿安的全生产提供重要的信息支持与保障[4]。

现代煤矿安全生产管理和信息的实时交互的需求强烈，煤矿安全生产工作越来越受到社会各级的关注，煤矿井下环境监测系统的研究和开发日益迫切。

井下环境包括温湿度、瓦斯、一氧化碳等指标的监测为提高煤矿井下生产安全性提供有效的保障。

瓦斯爆炸在我国煤矿事故中最为常见，百分之八十以上的煤矿事故由瓦斯引起的[5]。

加强对煤矿井下环境参数的准确实时监测，并对其进行预警具有重大意义。

现代煤矿安全生产管理生产过程中进行优化决策，提高生产效率，有效预防事故。

灾害发生时，需要及时实施救援工作，地面指挥中心通过检测系统实时准确了解井下环境以及矿工的位置情况信息，只有确定其准确位置后，才能开展有效的救援工作，将减少经济和人员的损失，实现这些功能，需要物联网技术的支持。

将物联网技术应用到煤矿井下环境监测中，实现煤矿井下环境的实时、准确和全方位监测以及井下工作人员的位置跟踪等功能，成为当前煤矿企业迫切需要解决的问题。

开发基于物联网的煤矿井下环境监测系统不仅日常管理中发挥重要的作用，在井下事故发生时亦起到重大作用，对煤矿安全生产有重要的现实意义。

物联网（InternetofThings,IoT）[6]，即物物相连的互联网，楼房、桥梁、矿井、工厂等地方放置各种传感器，传感器之间协同工作，数据传输利用有线的或者无线的方式，将实时采集的数据传送到监测端，实现数据的智能化处理及监测端对这些物体的实时有效监控、跟踪、定位和识别等。

最终通过IoT提高生产效率和资源利用率。

物联网应用集成度相当高的技术提供智能化的管理，实现事件物物之间的“安全、高效”的“管理、控制”[7]，使得实时监控数以万计的终端成为可能[8]，大大推动社会的发展。

随着物联网技术的快速发展，为煤矿井下环境监测提供有效的监测手段。

在煤矿井下开采环境中，运行物联网技术实时监测井下环境指标，准确定位并跟踪矿工的位置信息，监控端实时显示监测到的基础信息，为煤矿井下环境监督、实时掌握矿工的作业信息提供可靠的数据支持。

我国煤矿众多，开采环境恶劣，迫切需要提高煤矿生产安全性。

开发煤矿物联网井下环境监测系统，实现煤矿井下各种环境参数监测、预警、井下工作人员的定位和跟踪等功能，利于煤矿企业安全生产，提高煤矿生产的监管力度，提高煤矿发生事故后的救援效率，减少煤矿事故带来的经济损失，对保障煤矿井下工作人员的生命财产安全和煤矿企业的安全生产具有重大意义。

1.2国内外研究现状

从20世纪60年代初期开始，国外就已经开始研究煤矿环境参数的监测。

煤矿安全监测技术发展至今，经历了4个发展阶段[9]。

第一阶段采用空分制技术的煤矿监控系统，20世纪60年代的中期，英国、日本等国的煤矿中采用这中系统。

早期的系统设计功能单一，监测参数少。

第二阶段采用信道频分制技术的煤矿监控系统，其优点是大大减少传输信道的电缆芯数，被广泛应用。

第三阶段是在集成电路出现以后，采用时分制为基础的监控系统。

1976年，英国推出的MINOS煤矿监测系统并进行了成功的应用，开创了煤矿监测技术的发展的新局面。

尤其在20世纪70年代，微型计算机的出现，美国、英国等国的煤矿监测系统取得了快速发展。

第四阶段是在20世纪80年代，以分布式微处理机为基础，利用高新技术（计算机技术、网络技术等）开发煤矿监控系统，其中以美国MSA公司的DAN6400系统具有代表性[10]。

物联网技术的发展和应用备受世界高度关注，2009年初，美国奥巴马政府将IBM公司提出的“智慧地球”概念上升为国家经济振兴战略，同年，《欧盟物联网行动计划》由欧盟委员会提出，明确物联网的重点领域及研究路线，韩国通信委员会确定物联网技术作为新的经济增长动力[11]。

2010年，《欧洲数字计划》的提出，表明将进一步推动物联网技术的向前发展[12]。

世界主要发达国家包括美国、欧盟、日本等最早在煤矿安全监测系统中采用物联网技术，近几十年以来，相继开发了多种基于计算机技术、传感技术、网络技术的煤矿监控系统。

实现了地面监控中心对煤矿井下环境监测数据的有效处理和井下工作人员的定位等功能。

例如，SCADA（美国），TF-200（德国）等[13]。

煤矿有线监控系统的发展相对较成熟，系统普遍采用工业总线作为基础，地面监控中心与井下监测系统通过电缆或者光纤连接，煤矿安全监控效果较好。

但是，有线监控系统存在一定的不足，往往不能监测井下全部开采区域，井下环境参数将不有效、全面的获取，给煤矿安全生产带来了隐患[14]。

采用物联网技术的煤矿无线监控系统可以弥补有线监控系统的不足，针对煤矿井下实际情况，进行有效、灵活的监测。

国外许多研究机构和学者已经对无线传感技术在煤矿井下环境监控系统进行大量而深入的研究，取得了较好的成果[15]。

我国针对煤矿井下环境监测技术的研究起步较晚，与国外的监测技术相比，我国的监测技术还处在较浅的层次上，不能及时、准确的反应煤矿井下开采区域的工作情况，对煤矿企业正常生产的监管和科学决策将受到严重影响。

20世纪80年代初期，从发达国家引进了一批包括TF200、DAN6400等安全监控系统[16]。

与此同时，结合我国煤矿生产情况，先后研制了不断完善的监控系统，如KJ2、KJ10、KJ80等,可以检测井下瓦斯、CO、温度等环境参数[17]。

随着近几十年的发展，由于我国煤矿开采技术水平的限制，井下环境监测系统与国外相比还存在一定的距离。

物联网的发展受到我国政府的高度重视。

2009年8月，温家宝提出“感知中国”战略。

2010年的“两会”两会工作报告中指出，加大物联网的研发和应用。

在随后的2011、2012连续两年的“两会”政府工作报告中都提到物联网，可见物联网作为新兴产业的发展具有重要的战略意义[18]。

在煤矿安全生产领域引入物联网技术，具有重大的现实意义。

无线传感网络技术具有无线通信、快速组建等优点，在环境监测、定位、军事等领域应用前景广阔[19]。

正逐渐被应用到煤矿井下环境监测系统中，但是现有的系统没有很好的协合工作，还存在不足，例如，根据煤矿井下环境监测的大量数据，不能给出井下工作区域的安全级别；井下工作员工的全方位实时准确定位跟踪等。

目前，我国煤矿井下工作人员的定位识别主要通过无线射频识别（RadioFrequencyIdentification,RFID）技术来实现。

RFID利用射频信号和空间耦合传输特性来实现自动识别的[20]。

2006年第一季度，取得了煤炭行业的MA认证的基于RFID技术的井下人员定位系统，由国家煤矿检测局和维深电气有限责任公司联合设计。

同年第二季度，备受瞩目的《中国RFID技术政策白皮书》的发布，为煤矿开采的智能化、信息化提供了有效支撑[21]。

基于RFID技术的井下人员定位系统很好的满足实时定位需求，但是还存在精度不高等问题，要实现高精确度的定位是未来发展的趋势。

1.3论文研究的主要内容及组织结构

根据现有煤矿井下环境监测系统的不足，结合煤矿井下开采的环境特点，本文研究并实现了基于物联网的煤矿井下环境监测系统。

基于物联网的煤矿井下环境监测系统，以无线传感器网络为支撑，将监测到的多种井下环境状态参数、工作人员位置等信息，汇聚后实时传送到地面监控中心，进行分析处理，采用数据挖掘技术，挖掘出有用信息，为用户和煤矿企业管理者提供决策支持。

系统完成了煤矿安全监测系统功能模块的设计开发，实现了煤矿井下环境检测系统的数据实时采集、处理与传输、人员定位、环境监测与预警、信息共享等功能，提高煤矿生产的安全性。

论文主要从以下几个方面进行研究：

（1）煤矿井下环境监测系统的相关技术研究

本文详细阐述了物联网的概念、关键技术和体系结构及其应用，研究当前井下环境监测系统的开发现状，为基于物联网的煤矿环境井下环境监测系统的模块设计和开发提供了理论支持。

（2）数据挖掘技术在煤矿井下环境监测系统中的应用

文中提出应用数据挖掘技术进行煤矿井下环境监测区域的危险等级划分，首先利用模糊聚类方法，划分不同的区域，然后利用模糊评判方法，评价监测区域的危险等级。

（3）煤矿井下环境监测系统的体系结构设计与关键模块设计实现

根据模块化设计思想，对煤矿井下环境监测系统进行了总体结构分析和功能模块设计实现，利用视频监控、GIS、SMS等技术，开发基于物联网的煤矿井下环境监测系统，实现多角度、可视化、实时环境监控。

本论文共分为六章，具体安排如下：

第一章绪论论述了课题的背景和意义，说明了研究的重要性。

分析了国内外基于物联网的煤矿井下环境监测系统的研究现状，给出了本文研究的主要内容和组织结构。

第二章煤矿井下环境监测系统的相关技术论述了物联网的概念、基本构成、工作原理和关键技术。

第三章数据挖掘在煤矿井下环境监测系统中的应用介绍了数据挖掘技术的基本概念、过程，数据挖掘的应用。

利用模糊聚类方法，将煤矿井下监测空间划分不同的区域，然后利用模糊评判方法，评价监测区域的危险等级。

第四章煤矿井下环境监测系统的体系结构与关键模块主要对基于物联网的煤矿井下环境监测系统的体系结构进行分析，接着给出了该系统的主要功能模块及其关系，最后阐述了系统关键模块的功能与实现。

第五章煤矿井下环境监测系统的设计与实现给出了井下环境监测系统的需求分析和设计目标，在此基础上给出系统总体框架，然后对系统进行设计，最后实现基于物联网的煤矿井下环境监测系统。

第二章煤矿井下环境监测系统的相关技术

煤矿井下环境监测系统是在物联网的三层技术架构下设计并实现的，监测采用物联网关键技术，物联网的三层技术架构分为感知层、网络层和应用层。

本章重点阐述物联网的概念、体系结构和关键技术等。

2.1物联网概念

物联网技术代表着信息技术发展的方向，是基于互联网高速发展起来的，被称为互联网技术革命史上的第三次革命，为促进互联网的发展和社会的向前发展起到巨大的推动作用，引起世界的广泛关注，物联网连接世界上成万上亿的物体[22]。

物体之间能够进行相互“交流”，不必受到人为的操控[23]。

本质就是物联网采用了RFID、无线通信技术等科学技术，完成事物间的通信、识别，但是物联网的概念还没有得到世界各界的统一。

20世纪90年代，出现了物联网（InternetofThings，IoT）的基本思想，最初的概念是由KevinAshton[24]于1999年提出的网络RFID系统，互联网与信息传感器相连，实现物品的智能化识别。

物联网的概念随这信息技术的广泛的应用，也随着进一步发展。

欧盟的《TheInternetofThings2020》[25]报告提出：

物联网是一种网络，由具有运行在智能空间的虚拟个性、标识的物体或者对象组成，通过智慧的接口与环境、用户的上下文进行通信。

SRA[26]报告认为：

物联网以标准通信协议为基础，是一种全球性动态网络，可以任意自我配置，连接的对象具有唯一特征编码，通过智能界面无缝连接，实现所有事物的互联与通信和资源的共享。

《物联网白皮书2011》[27]由工信部电信研究院发布，白皮书指出：

物联网是网络的拓展和延伸，采用传感技术、无线通信技术，对实现世界进行感知识