发布时间 : 星期一 文章基于物联网的煤矿井下环境监测系统的研究与实现更新完毕开始阅读ff0c834a168884868762d64c
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阶段5 评价指标处理
根据阶段4得到评价指标bi后，需要对其进行处理，以便得到最优的评价结果，处理方式有：采用等级参数评价法和采用最大隶属度法。前者利用等级模糊子集的信息，评价结果更接近实际；后者是取max(bi)对应的vi为评价结果，文中采用该处理方法。
3.4本章小结
本章主要研究数据挖掘技术在煤矿井下环境监测中的应用。由于煤矿井下开采环境相对复杂，监测环境参数有相互关系，给出数据挖掘中的模糊聚类和模糊评价技术，应用到井下环境监测中，对井下环境监测区域的危险等级的划分。
第四章 系统的体系结构与关键模块
基于物联网的煤矿井下环境监测系统主要完成对井下环境参数的监测和实现井下工作人员的定位跟踪，将收集的信息数据存储并上传到监控中心，为煤矿企业的安全生产、管理者制定科学决策提供有效依据。系统依赖无线传感网络，根据模块化思想，本章首先对系统的体系结构进行分析设计，接着进行系统关键模块的整体设计，主要有：GIS模块实现井下工作人员的定位跟踪和环境参数的监测与报警；SMS短信模块实现短信方式告知管理者环境信息；通信模块实现数据的交互；环境预报模块实现井下环境监测区域的危险等级划分，并进行趋势预测。
4.1 系统的体系结构
煤矿井下开采环境十分复杂，基于物联网的煤矿井下环境监测系统的设计时，需要结合井下实际开采环境。煤矿井下的地形多样化，通常煤矿井下区域
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可以分为开采区、巷道区和采空区等。其中主巷道和支巷道构成巷道区，煤矿开采区域一般都分布在主巷道和部分支巷道区域，这些区域由于地形比较宽阔，形状规则，通常易于布置有限光纤骨干网的有线监测系统，相对于地形不规则、狭窄的部分支巷道、开采区域，就会个布置有线检测系统带来一定的难度。综上所述，在进行系统设计时，需要综合考虑如下方面：首先井下网络需要全覆盖，并且能够实时获取井下全区域环境参数和井下工作人员的位置跟踪信息，以便实时监测。其次，井下现有的有线基础设施需要充分利用，无线传感网络收集的数据信息经现有网络进行传输和处理；采用高效的能量利用率，进行网络节点的部署，保证网络的正常工作；在不需人工干预的条件下，网络应该具有自组网、扩展方便等特点，一出现新的开采点网络随之进行跟进，减少由于新的开采区域带来的监测盲区监测； 最后，针对井下环境巷道错综复杂，条件差的特点，为保障网络的健康运行，无线传感器网络要具有较强的容错性和鲁棒性。
针对上述功能需求，结合煤矿井下实际环境，以无线传感网络为支撑，采用物联网技术，设计基于物联网的煤矿井下环境监测系统的体系结构[53]，如图4-1所示。井下环境监测系统由三层体系结构组成，分别为：地面监控中心、骨干网络和无线传感网络，三层体系结构与物联网的三层体系结构(应用层、网络层和感知层)一一对应。通过设置的各种传感器节点，由基于ZigBee技术无线传感网络为感知层，采集煤矿井下环境参数信息，并通过井下工作人员携带的移动节点与位置路由进行计算自身井下的位置信息，传送给汇聚节点。网络层的骨干网为有线光纤，无线传感网络的信息传送方式，即无线网络与地面监控中心的信息交互分为有线或无线接入两种。监控中心为应用层，由中央处理器和数据库服务器组成，负责对井下环境监测数据的存储、处理、显示、预警等，可以向井下发送控制命令，实现对无线传感网络的有效监管。监控中心连接互联网，使得煤矿企业管理人员只要能连互联网，就可以实现远程对煤矿井下环境的实时有效监控，确保煤矿企业安全生产。
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环境监测中心 Internet用户终端监控中心交换机井上井下交换机通信网络光纤骨干网网关 WSN WSN 网关 WSN WSN无线传感网络图4-1井下环境监测系统的体系结构
基于物联网的煤矿井下环境监测系统运行过程中，井下的各种传感器设备会定时或不定时发送环境参数、井下员工定位轨迹等信息，无线传感器网络就会将这些信息通过传输网络发送到监控中心，监控中心及时处理这些信息，实时监测井下环境状况，还可以监测无线传感器网络的运行状态，以便在网络管理过程中做出相应。在煤矿发生事故时，通过井下环境监测中心可以提供历史数据，实时数据等，为救灾工作的顺利进行提供数据支持和保障。
4.2功能模块及关系
4.2.1系统功能模块
根据上一节中系统的体系结构，系统应用层即环境监测平台系统运行在监测服务器上，结合数据库服务器进行模块开发。环境监测系统由监测管理软件和后台数据库组成，前者包括数据传输、处理和显示等模块。数据传输实现无线传感网络与监测系统间的数据的交互，数据处理实现数据的获取、分析、转换等功能，数据的显示是实现煤矿井下环境监控的窗口，可显示井下员工的位置轨迹、传感器节点的状况等信息。数据库主要负责接收上传数据(包括环境
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参数、员工位置等)和硬件配置参数、账户信息等存储与管理，并根据需求将数据提供给使用者。基于物联网的煤矿井下环境监测系统主要分为数据获取、数据输出、网络控制、系统管理、GIS、SMS短信息、环境预报警等主要功能模块，如图4-2所示。
基于物联网的煤矿井下环境监测系统平台数据获取数据输出网络控制系统管理GISSMS短信环境预报警数据接收数据分析数据存储数据查询报警提醒网络配置端口配置用户管理数据库管理可视化显示报警模块预警模块
图4-2 基于物联网的煤矿井下环境监测系统平台功能模块
数据获取，主要包括煤矿井下环境监测参数的接收、存储、分析等功能。监测系统与数据传输模块通过建立Socket连接，当有连接请求时，才建立数据接收，并对其进行数据有效性检查，将接收各种传感器上传的数据存储到数据库中。
数据输出,在煤矿井下环境监测系统中，数据输出就是给用户或煤矿企业管理者进行数据可视化显示(如井下工作人员的位置轨迹、井下传感器节点部署情况等)、数据历史记录查询、预警提醒(如井下环境危险等级划分、节点失效等异常情况)等功能。
网络控制,主要包括与监测系统通信的端口配置、网络配置和命令输出等功能。系统正常工作前，先进行端口设置，再设置网络节点位置、参数等信息，网络才能正常工作。
系统管理主要有账户管理、数据管理、数据查询等。账户管理主要是用户权限设置和密码管理；数据管理负责数据的编辑(添加、删除等)操作，为保证数据的安全性，需要定期进行备份数据；数据查询即对用户信息或者监测区域信息进行查询操作。
GIS显示井下工作人员的位置轨迹、井下开采区域的地理信息和井下开采区域环境危险等级。
SMS短信息即以短信的形式向指定用户或者管理者发送数据信息。 环境与报警采用数据挖掘中的模糊聚类和模糊评价技术，对井下环境监测区域进行划分，评价区域的危险等级。