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Abstract
China’s coal mining is mainly carried out underground with the complicated geological conditions and the adverse working environment, which is directly related to life property safety of the coal miner. Coal mine safety production is facing the great challenge, thus it is very urgent to strengthen monitoring on the production safety, which can effectively reduce occurrences of the coalmine accident, and immediate rescue the trapped miners, guarantee safe operation and lower enterprise's loss. However, the current underground environment detection system has some shortcomings, such as limited detection underground area, bad real time capability, poor expansibility etc.
The Internet of Things refers to uniquely identifiable objects and their virtual representations in an Internet-like structure, connecting devices by radio frequency identification, wireless communication, sensor network, the exchange of information and communications. All kinds of the environment information can be obtained by the WSN technology in time. WSN consists of spatially distributed sensors to monitor environmental conditions, such as temperature, and to cooperatively pass their data via the network to control center, which has broad application range. Therefore, this paper develops the environmental monitoring and management system of coal mine based on the IOT technology, combining with the requirement of the characteristics of coal mine environment, and has great signification for coal mine safety production.
The environmental monitoring system of coal mine based on the IOT, the various environmental parameters and the orientation of the miners can be got by the WSN, which can give the information to monitor center in time. The system function module is designed and the functions of all kinds of environment monitoring parameters, environmental monitoring and early warning, information sharing, miner’s location are achieved, the safety production of coal mine is improved.
Keywords: Coal mine, IOT, data mining, environmental monitoring
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目 录
摘 要 .................................................................................................................................................... 3 Abstract .............................................................................................................................................. 4 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
4.3.1 GIS 模块 ................................................................................................................... 32 4.3.2 SMS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
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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
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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(Internet of Things,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