【正文】 目錄基于MultiAgent的煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)研究畢業(yè)論文目錄摘要 IAbstract III1 緒 論 1 1 2 3 42基于多Agent的煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 7 Agent的定義與特征 7 8 8 10 12 12 15 Agent間通信與協(xié)作 16 17 18 223 基于多Agent的煤礦安全監(jiān)控仿真系統(tǒng)實現(xiàn) 23 概述 23 25 代理類的繼承和實現(xiàn) 25 行為類的繼承和實現(xiàn) 25 Eclipse平臺與JADE平臺的集成 28 29 30 32 33 33 36 364 系統(tǒng)的硬件實現(xiàn) 37 37 44 本章小結(jié) 495 系統(tǒng)軟件實現(xiàn) 51 51 52 54 61 本章小結(jié) 636 總結(jié)與展望 65 65 進(jìn)一步展望 65參考文獻(xiàn) 67致謝 71作者簡介及讀研期間主要科研成果 73IIIContentsContentsAbstrat(in Chinese) IAbstract III1 Introduction 1 The research background and significance 1 The development status of coal mine safety monitoring system 2 Research targets and contents 3 The struction of this paper 42 Coal mine safety monitoring and control structure based on multi Agent 7 The definition and characteristics of Agent 7 Multi Agent system 8 The organizational structure of multi Agent system 8 The munication mechanism of multi Agent system 10 Coal mine safety monitoring system structure based on multi Agent 12 Design of coal mine safety monitoring system model based on MAS 12 The working flow of the system 15 Communication and cooperation among Agent 16 Collaborative interaction algorithm 17 Communication language 18 Chapter summary 223 Implementation of the coalmine safety monitoring simulation system based on MAS 23 JADE summary 23 The key techniques of simulation system 25 the implementation of the proxy class 25 implementation inheritance behavior class 25 Integrated Eclipse platform and JADE platform 28 Integrated platform and database interaction 29 Key code 30 The realization of munication among Agent 32 The simulation results and analysis 33 The system interface 33 The analysis of simulation results 36 Chapter summary 364 The realization of hardware system 37 The hardware design of management Agent 37 The hardware design of monitor Agent 44 Chapter summary 495 The realization of system software 51 The software design of management Agent 51 Wireless network software design of management Agent 52 Ethernet software design of management Agent 54 The software design of monitor Agent 61 Chapter summary 636 Summary and prosprct 65 Full summary 65 Work prosprct 65Reference 67Acknowledgements 71Author introduction and main scientific research achievements 731緒論1 緒 論 “貧油富煤少氣”是我國化石能源結(jié)構(gòu)基本現(xiàn)狀，煤炭是我國的支柱能源，并且將長期支撐我國國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)和社會、經(jīng)濟(jì)、文化發(fā)展，關(guān)系到國計民生具有較高的戰(zhàn)略地位[12]。礦井生產(chǎn)安全不僅直接關(guān)系到井下人員人身安全，而且對社會穩(wěn)定及當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要影響[34]。目前我國煤炭生產(chǎn)以井工開采的方式為主，生產(chǎn)環(huán)境復(fù)雜、條件惡劣，而井下作業(yè)人員多、施工空間小、勞動密集，所以保障礦井生產(chǎn)安全尤為重要[5]。經(jīng)過國家多年來對煤礦安全的投入，煤炭行業(yè)的安全狀況有了明顯的改善，但是我國煤礦企業(yè)由于建設(shè)年代、所屬企業(yè)性質(zhì)不同，安全設(shè)施及系統(tǒng)水平參差不齊，井下傷亡時有發(fā)生。，但是事故仍然造成了1300人左右的死亡。而早在2000年，南非煤礦百萬噸死亡率僅為 ，波蘭為 ，美國近十幾年來煤礦死亡人數(shù)甚至都在30人/年以下，可見中國煤礦安全形勢依舊十分嚴(yán)峻[68]。煤礦安全事故頻繁發(fā)生，奪取了無數(shù)采礦工人的寶貴生命，也摧毀了無數(shù)幸福的家庭。由于礦難導(dǎo)致的企業(yè)與工人家庭的糾紛也層出不窮，給社會的穩(wěn)定和諧帶來不安定因素，與我國和諧社會的目標(biāo)相違背也嚴(yán)重影響中國的國際形象和地位[9]。礦難造成的巨大經(jīng)濟(jì)損失，更是煤炭企業(yè)、社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的不可承受之重。我國處于亞洲板塊東部邊緣，長期的地質(zhì)板塊運動導(dǎo)致煤層賦存條件復(fù)雜多變、地質(zhì)構(gòu)造較發(fā)育。煤層由于沉積年代不同，自然發(fā)火期、瓦斯含量、頂?shù)装鍡l件、地溫、地壓等條件各不相同，致使煤礦生產(chǎn)環(huán)境復(fù)雜多變，安全問題頻繁發(fā)生。所以更加科學(xué)、系統(tǒng)、完善的礦井安全監(jiān)測系統(tǒng)，對于改善我國煤炭安全生產(chǎn)落后現(xiàn)狀，具有極其重要的作用。所以如何將新技術(shù)、新工藝、先進(jìn)的安全監(jiān)測系統(tǒng)等應(yīng)用到煤礦安全管理系統(tǒng)中，預(yù)防并減少各種安全事故的發(fā)生，是當(dāng)前煤炭工業(yè)亟需解決的問題[1011]。為了有效掌控井下環(huán)境，煤礦井巷、硐室、工作面等地點安置了種類、數(shù)量眾多的傳感器節(jié)點，包括瓦斯、CO濃度檢測傳感器、風(fēng)速、溫度測量傳感器等[12] [13]。然而，多種監(jiān)測系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)往往相互獨立，在井下狹小的環(huán)境占據(jù)大量空間，為生產(chǎn)帶來諸多不便；同時由于井下環(huán)境復(fù)雜、條件惡劣，單一傳感器受到溫度、濕度、粉塵等的影響可能出現(xiàn)失效或探測不精確，使系統(tǒng)無法對真實條件做出反應(yīng)，嚴(yán)重時甚至導(dǎo)致災(zāi)難的發(fā)生。現(xiàn)有系統(tǒng)的請求/問答式監(jiān)測系統(tǒng)傳輸了大量無效數(shù)據(jù)，增加了網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，降低了系統(tǒng)安全性和可靠性[1415]。為了能夠更好解決上述問題，本文將Agent (智能代理)技術(shù)引入煤礦安全監(jiān)控領(lǐng)域。Agent技術(shù)起源于20世紀(jì)70年代，涉及到眾多領(lǐng)域的內(nèi)容，包括人工智能、信息檢索、計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)挖掘、自然語言處理等理論和技術(shù)，其核心是對人工智能(Al，ArtifiCialIntelligence)的研究[16]。計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和基于網(wǎng)絡(luò)分布式計算技術(shù)的迅猛發(fā)展，帶動了Agent技術(shù)的研究和應(yīng)用，使之成為人工智能領(lǐng)域研究的前沿領(lǐng)域及重點拓展方向[1718]。Agent是一種在某一環(huán)境感知環(huán)境中成分或條件變化，可以靈活、自主地產(chǎn)生反應(yīng)進(jìn)行在預(yù)定設(shè)計目標(biāo)下計算的實體或程序[19]。而在同一環(huán)境中進(jìn)行多種因素和變量的監(jiān)測，就需要引入多Agent系統(tǒng)技術(shù)，其不但要求Agent自身的自主性、智能性，還要求Agent之間能夠智能和自組織的交流。多Agent理論產(chǎn)生之后，憑借其自主性、智能性的特點，迅速在各領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[20]。然而，多Agent技術(shù)在煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用仍在空白，因而填補(bǔ)這一空白，將對煤礦安全監(jiān)控領(lǐng)域的發(fā)展具有非常重要的意義。本文的研究內(nèi)容就是在多Agent理論和技術(shù)的基礎(chǔ)上，設(shè)計一套煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)，包括人機(jī)界面Agent、主控Agent、管理Agent和監(jiān)測Agent[21]。為煤礦井下的生產(chǎn)環(huán)境提供集成度高、質(zhì)量可靠的監(jiān)控系統(tǒng)，提高煤礦綜合管理環(huán)境及生產(chǎn)安全率，為取得良好經(jīng)濟(jì)效益和社會效益打下堅實基礎(chǔ)。由于歐美國家在計算機(jī)、電氣自動化、控制技術(shù)等方面科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，使得其能在煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)領(lǐng)域走在世界前列。自20世紀(jì)60年代，初代煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)問世，半個世紀(jì)以來已經(jīng)產(chǎn)生了四代[22]。初代檢測系統(tǒng)得益于空分制信號傳輸技術(shù)的發(fā)展，法國作為傳統(tǒng)的工業(yè)強(qiáng)國研制出了CTT63/40系統(tǒng)，成為了這代系統(tǒng)的典型之作[23]；隨后二戰(zhàn)后的西德在繼承了其德國先進(jìn)電氣通信技術(shù)的基礎(chǔ)上，采用了頻分制的信號傳輸技術(shù)大大簡化了數(shù)據(jù)傳輸線路，研制了二代監(jiān)控系統(tǒng)，使TST系統(tǒng)的良好口碑成就了西德西門子公司[24]；第三代產(chǎn)品利用時分制的信號傳輸方式，采用這一技術(shù)進(jìn)一步簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、提高了抗干擾性能，英、美、西德在此領(lǐng)域皆有長足的發(fā)展并取得了較高成就[25]；第四代產(chǎn)品的時分制的傳輸模式使系統(tǒng)具有開放性、集成性和網(wǎng)絡(luò)化特征，美國MSA公司DAN6400系統(tǒng)和加拿大Senturion 600 型系統(tǒng)是這代系統(tǒng)的最高水平[26]。是采用頻平系統(tǒng)傳輸模式，我國于上世紀(jì)80年代先后從歐美國家引進(jìn)了多種礦井安全監(jiān)控系統(tǒng)，并成功在多個國有礦業(yè)集團(tuán)中得到應(yīng)用[27]。引進(jìn)并應(yīng)用的同時，各大研究機(jī)構(gòu)在這些系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，繼續(xù)開發(fā)創(chuàng)新開發(fā)出了KJ2和KJ4系統(tǒng)；隨著國內(nèi)研發(fā)水平、電子技術(shù)、通信技術(shù)、計算機(jī)及制造工藝、精度等的提高，滿足煤礦企業(yè)安全生產(chǎn)需求，各大煤礦設(shè)計院、研究院，礦業(yè)類院校及具有研發(fā)能力的煤炭企業(yè)，陸續(xù)開發(fā)出KJ90、KJ10KJF2000等一批具有先進(jìn)水平的監(jiān)控系統(tǒng)[28]。這些系統(tǒng)裝備到國內(nèi)大中型煤礦企業(yè)中，取得了較好的監(jiān)測效果，為煤礦安全生產(chǎn)提供了有利保障。目前，國內(nèi)開發(fā)的煤礦監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)可以對甲烷、風(fēng)速、溫度、煤塵等進(jìn)行精確監(jiān)測，能完成監(jiān)測結(jié)果的及時傳輸，使監(jiān)控控制系統(tǒng)快速反應(yīng)，實現(xiàn)閉鎖及電力控制；對于生產(chǎn)設(shè)備的運行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，及時發(fā)現(xiàn)并處理設(shè)備故障；使用互聯(lián)網(wǎng)連接煤礦監(jiān)測系統(tǒng)及省、市煤礦安全檢查部門，實現(xiàn)礦井生產(chǎn)安全監(jiān)測的透明、即時監(jiān)測[29]。當(dāng)前，國內(nèi)自主研發(fā)的安全監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)較多，但用途各異集成性較差，各研發(fā)生產(chǎn)單位技術(shù)水平良莠不齊，監(jiān)測精度及可靠性也存在較大差異，綜述安全監(jiān)測現(xiàn)狀與煤礦安全高效生產(chǎn)需求存在較大差距，主要問題體現(xiàn)在以下四個方面：(1)煤礦井下傳感器由于設(shè)計、生產(chǎn)等技術(shù)水平不同，導(dǎo)致監(jiān)測精度、抗干擾能力各不相同，同時不同環(huán)境因素的監(jiān)測有不同的傳感器節(jié)點及網(wǎng)絡(luò)，其可靠性及性能有待改善。 (2)煤礦井下安全監(jiān)控系統(tǒng)多采用有線傳輸，網(wǎng)絡(luò)布置復(fù)雜，在井下狹窄的生產(chǎn)環(huán)境中影響生產(chǎn)，并極易導(dǎo)致系統(tǒng)的破壞。(3)現(xiàn)有煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)主要采用請求/問答式的監(jiān)控模式，只能實現(xiàn)監(jiān)控信息的的簡單采集和報警，其在事故預(yù)警、應(yīng)急救援的決策支持和信息保障功能性差，不具有智能監(jiān)控和選擇性傳輸能力。(4)煤礦安全事故發(fā)生后，現(xiàn)有煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)無法提供足夠的救援信息，包括井下各類人員的數(shù)量、分布、位置，及事故發(fā)生地的地質(zhì)結(jié)構(gòu)等信息。隨著國民經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，國家對煤礦生產(chǎn)安全要求的不斷提高，現(xiàn)有煤礦井下安全監(jiān)控系統(tǒng)存在的種種不足之處，日益受到安全監(jiān)督管理部門乃至整個社會的重視。設(shè)計一套可以滿足煤礦安全生產(chǎn)需求，具有自主性、智能性、高集成性、高可靠性的井下綜合監(jiān)控系統(tǒng)，對于推進(jìn)礦井安全生產(chǎn)建設(shè)十分重要，而多Agent技術(shù)為新型煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)的產(chǎn)生提供了新的技術(shù)支持。通過以上對現(xiàn)有煤礦監(jiān)控系統(tǒng)的現(xiàn)狀和發(fā)展的分析，提出基于多Agent技術(shù)的監(jiān)控系統(tǒng)，充分利用多Agent系統(tǒng)“能夠?qū)崟r、動態(tài)、自主地與不斷變化著的外部環(huán)境進(jìn)行交互”的性質(zhì)，對井下環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測并及時反應(yīng)，采取有效措施避免災(zāi)害事故的發(fā)生。所以本文的主要研究內(nèi)容為：建立基于多Agent理論的煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)模型 采用多Agent理論及技術(shù)，結(jié)合煤礦井下特殊的溫度、濕度、空間等環(huán)境特點，建立基于多Agent理論的煤礦安全控制系統(tǒng)。本系統(tǒng)中的Agent具有多個類型負(fù)責(zé)多種任務(wù)，每個Agent都具有學(xué)習(xí)、記憶等智能屬性，通過它們之間的交互協(xié)作來共同完成煤礦安全監(jiān)控的任務(wù)。監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)部的通信協(xié)調(diào)機(jī)制的確定 多Agent系統(tǒng)中的各Agent之間具有交互、協(xié)調(diào)性，這是智能體技術(shù)最具特色的地方，也是本系統(tǒng)的最大優(yōu)勢。通過多個Agent之間的協(xié)商交互等對傳感器節(jié)點采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，實現(xiàn)對雜問題的優(yōu)化。其中Agent的交互語言是交互協(xié)調(diào)的關(guān)鍵，本文選用FIPIACL通信語言建立它們之間的通信協(xié)調(diào)及交互。系統(tǒng)的硬件和軟件實現(xiàn)整個多Agent的煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)的，硬件方面主要包括芯片的選擇和幾大功能模塊如無線網(wǎng)絡(luò)模塊、以太網(wǎng)模塊、傳感器模塊的設(shè)計，以及獨立模塊設(shè)計和模塊與模塊之間的通信設(shè)計，軟件方面的