【正文】 迫切需要解決的問題。物聯(lián)網(wǎng)(Internet of Things,IoT)[6]，即物物相連的互聯(lián)網(wǎng)，樓房、橋梁、礦井、工廠等地方放置各種傳感器，傳感器之間協(xié)同工作，數(shù)據(jù)傳輸利用有線的或者無線的方式，將實時采集的數(shù)據(jù)傳送到監(jiān)測端，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的智能化處理及監(jiān)測端對這些物體的實時有效監(jiān)控、跟蹤、定位和識別等。物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用集成度相當(dāng)高的技術(shù)提供智能化的管理，實現(xiàn)事件物物之間的“安全、高效”的“管理、控制”[7]，使得實時監(jiān)控數(shù)以萬計的終端成為可能[8]，大大推動社會的發(fā)展。在煤礦井下開采環(huán)境中，運行物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實時監(jiān)測井下環(huán)境指標(biāo)，準(zhǔn)確定位并跟蹤礦工的位置信息，監(jiān)控端實時顯示監(jiān)測到的基礎(chǔ)信息，為煤礦井下環(huán)境監(jiān)督、實時掌握礦工的作業(yè)信息提供可靠的數(shù)據(jù)支持。開發(fā)煤礦物聯(lián)網(wǎng)井下環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)煤礦井下各種環(huán)境參數(shù)監(jiān)測、預(yù)警、井下工作人員的定位和跟蹤等功能，利于煤礦企業(yè)安全生產(chǎn)，提高煤礦生產(chǎn)的監(jiān)管力度，提高煤礦發(fā)生事故后的救援效率，減少煤礦事故帶來的經(jīng)濟損失，對保障煤礦井下工作人員的生命財產(chǎn)安全和煤礦企業(yè)的安全生產(chǎn)具有重大意義。煤礦安全監(jiān)測技術(shù)發(fā)展至今，經(jīng)歷了4個發(fā)展階段[9]。早期的系統(tǒng)設(shè)計功能單一，監(jiān)測參數(shù)少。第三階段是在集成電路出現(xiàn)以后，采用時分制為基礎(chǔ)的監(jiān)控系統(tǒng)。尤其在20世紀(jì)70年代，微型計算機的出現(xiàn)，美國、英國等國的煤礦監(jiān)測系統(tǒng)取得了快速發(fā)展。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用備受世界高度關(guān)注，2009年初，美國奧巴馬政府將IBM公司提出的“智慧地球”概念上升為國家經(jīng)濟振興戰(zhàn)略，同年，《歐盟物聯(lián)網(wǎng)行動計劃》由歐盟委員會提出，明確物聯(lián)網(wǎng)的重點領(lǐng)域及研究路線，韓國通信委員會確定物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)作為新的經(jīng)濟增長動力[11]。世界主要發(fā)達國家包括美國、歐盟、日本等最早在煤礦安全監(jiān)測系統(tǒng)中采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，近幾十年以來，相繼開發(fā)了多種基于計算機技術(shù)、傳感技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的煤礦監(jiān)控系統(tǒng)。例如，SCADA(美國)，TF200(德國)等[13]。但是，有線監(jiān)控系統(tǒng)存在一定的不足，往往不能監(jiān)測井下全部開采區(qū)域，井下環(huán)境參數(shù)將不有效、全面的獲取，給煤礦安全生產(chǎn)帶來了隱患[14]。國外許多研究機構(gòu)和學(xué)者已經(jīng)對無線傳感技術(shù)在煤礦井下環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)進行大量而深入的研究，取得了較好的成果[15]。20世紀(jì)80年代初期，從發(fā)達國家引進了一批包括TF200、DAN6400等安全監(jiān)控系統(tǒng)[16]。隨著近幾十年的發(fā)展，由于我國煤礦開采技術(shù)水平的限制，井下環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)與國外相比還存在一定的距離。2009年8月，溫家寶提出“感知中國”戰(zhàn)略。在隨后的2012012連續(xù)兩年的“兩會”政府工作報告中都提到物聯(lián)網(wǎng)，可見物聯(lián)網(wǎng)作為新興產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有重要的戰(zhàn)略意義[18]。無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)具有無線通信、快速組建等優(yōu)點，在環(huán)境監(jiān)測、定位、軍事等領(lǐng)域應(yīng)用前景廣闊[19]。目前，我國煤礦井下工作人員的定位識別主要通過無線射頻識別(Radio Frequency Identification, RFID)技術(shù)來實現(xiàn)。2006年第一季度，取得了煤炭行業(yè)的MA認證的基于RFID技術(shù)的井下人員定位系統(tǒng)，由國家煤礦檢測局和維深電氣有限責(zé)任公司聯(lián)合設(shè)計?；赗FID技術(shù)的井下人員定位系統(tǒng)很好的滿足實時定位需求，但是還存在精度不高等問題，要實現(xiàn)高精確度的定位是未來發(fā)展的趨勢?；谖锫?lián)網(wǎng)的煤礦井下環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，以無線傳感器網(wǎng)絡(luò)為支撐，將監(jiān)測到的多種井下環(huán)境狀態(tài)參數(shù)、工作人員位置等信息，匯聚后實時傳送到地面監(jiān)控中心，進行分析處理，采用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，挖掘出有用信息，為用戶和煤礦企業(yè)管理者提供決策支持。論文主要從以下幾個方面進行研究：(1) 煤礦井下環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的相關(guān)技術(shù)研究本文詳細闡述了物聯(lián)網(wǎng)的概念、關(guān)鍵技術(shù)和體系結(jié)構(gòu)及其應(yīng)用，研究當(dāng)前井下環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的開發(fā)現(xiàn)狀，為基于物聯(lián)網(wǎng)的煤礦環(huán)境井下環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的模塊設(shè)計和開發(fā)提供了理論支持。(3) 煤礦井下環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)設(shè)計與關(guān)鍵模塊設(shè)計實現(xiàn)根據(jù)模塊化設(shè)計思想，對煤礦井下環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)進行了總體結(jié)構(gòu)分析和功能模塊設(shè)計實現(xiàn)，利用視頻監(jiān)控、GIS、SMS等技術(shù)，開發(fā)基于物聯(lián)網(wǎng)的煤礦井下環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)多角度、可視化、實時環(huán)境監(jiān)控。分析了國內(nèi)外基于物聯(lián)網(wǎng)的煤礦井下環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀，給出了本文研究的主要內(nèi)容和組織結(jié)構(gòu)。第三章 數(shù)據(jù)挖掘在煤礦井下環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)中的應(yīng)用 介紹了數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)的基本概念、過程，數(shù)據(jù)挖掘的應(yīng)用。第四章 煤礦井下環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)與關(guān)鍵模塊 主要對基于物聯(lián)網(wǎng)的煤礦井下環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)進行分析，接著給出了該系統(tǒng)的主要功能模塊及其關(guān)系，最后闡述了系統(tǒng)關(guān)鍵模塊的功能與實現(xiàn)。第二章 煤礦井下環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的相關(guān)技術(shù)煤礦井下環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)是在物聯(lián)網(wǎng)的三層技術(shù)架構(gòu)下設(shè)計并實現(xiàn)的，監(jiān)測采用物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)，物聯(lián)網(wǎng)的三層技術(shù)架構(gòu)分為感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。 物聯(lián)網(wǎng)概念 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)代表著信息技術(shù)發(fā)展的方向，是基于互聯(lián)網(wǎng)高速發(fā)展起來的，被稱為互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)革命史上的第三次革命，為促進互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展和社會的向前發(fā)展起到巨大的推動作用，引起世界的廣泛關(guān)注，物聯(lián)網(wǎng)連接世界上成萬上億的物體[22]。本質(zhì)就是物聯(lián)網(wǎng)采用了RFID、無線通信技術(shù)等科學(xué)技術(shù)，完成事物間的通信、識別，但是物聯(lián)網(wǎng)的概念還沒有得到世界各界的統(tǒng)一。物聯(lián)網(wǎng)的概念隨這信息技術(shù)的廣泛的應(yīng)用，也隨著進一步發(fā)展。SRA[26]報告認為：物聯(lián)網(wǎng)以標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議為基礎(chǔ)，是一種全球性動態(tài)網(wǎng)絡(luò)，可以任意自我配置，連接的對象具有唯一特征編碼，通過智能界面無縫連接，實現(xiàn)所有事物的互聯(lián)與通信和資源的共享。信息社會世界峰會(WSIS)上，ITU[28]指出：物聯(lián)網(wǎng)通過攝像頭、激光掃描器、RFID、GPRS等設(shè)備，遵循規(guī)定的協(xié)議，連接互聯(lián)網(wǎng)與所有事物，事物之間相互通信，實現(xiàn)智能化管理、跟蹤、監(jiān)控的一種網(wǎng)絡(luò)。物聯(lián)網(wǎng)用途十分廣泛，應(yīng)用前景廣闊，將會給實現(xiàn)世界帶來了巨大的便利[29]。圖21 物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)感知層作為物聯(lián)網(wǎng)的核心技術(shù)，感知層類似物聯(lián)網(wǎng)的眼睛、手和皮膚，識別物體，獲取包括環(huán)境狀態(tài)、物體屬性等信息，是聯(lián)系信息世界和物理世界的紐帶[31]。感知層的關(guān)鍵技術(shù)有無線通信技術(shù)、RFID技術(shù)等。網(wǎng)絡(luò)層以互聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)，包括應(yīng)用服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫等。應(yīng)用層物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用層與目標(biāo)需求結(jié)合，負責(zé)數(shù)據(jù)的顯示、轉(zhuǎn)換等，是物聯(lián)網(wǎng)中的“實現(xiàn)者”，滿足行業(yè)的各種需求。前者是在后者的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)行業(yè)的具體應(yīng)用，包括運輸車輛、電力、環(huán)境監(jiān)測等。數(shù)據(jù)存儲、挖掘時物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用層的關(guān)鍵技術(shù)。其中，多樣性原則指物聯(lián)網(wǎng)傳感節(jié)點類型不同，物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)也不同；互聯(lián)性原則指物聯(lián)網(wǎng)體系中各個目標(biāo)對象能夠達到無縫連接；時空性原則指物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計需要滿足對時間、空間的需求；堅固性原則指體系結(jié)構(gòu)的穩(wěn)固性；安全性原則指體系結(jié)構(gòu)能正常運行，可抵御各種攻擊。STEP1物體識別在一定環(huán)境下，使用RFID技術(shù)標(biāo)識特定物體[34]。STEP2創(chuàng)建被識別物體連網(wǎng)系統(tǒng)在STEP1的基礎(chǔ)上，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(包括有源和無源的節(jié)點)就可以被創(chuàng)建和提取。STEP3 應(yīng)用平臺的搭建為實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用架構(gòu)，需要在搭建節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)后，設(shè)計并完善節(jié)點的賬戶管理、信息收集與傳輸、設(shè)備控制等功能。若在設(shè)計和搭建物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中，不涉及已經(jīng)存在的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用領(lǐng)域，可以將接口規(guī)則變成一種規(guī)范。圖中的六項應(yīng)用均與中間件有關(guān)。關(guān)鍵技術(shù)非常多，國際電信聯(lián)盟物聯(lián)網(wǎng)報告中，物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)概括起來主要包括以下幾個方面：RFID，傳感器技術(shù)，智能技術(shù)和嵌入式技術(shù)[35]。通過射頻信號及其空間耦合和傳輸特性進行的非接觸雙向通信，實現(xiàn)物體的自動識別，進行相關(guān)數(shù)據(jù)的讀寫[36]。RFID系統(tǒng)有兩部分組成，分別是閱讀器(reader)和標(biāo)簽(tag)。Reader由天線、耦合元件、芯片等組成，通過電磁場來讀取存儲在tag中的信息的設(shè)備。RFID讀寫器也分移動式的和固定式，RFID技術(shù)應(yīng)用十分廣泛，如門禁系統(tǒng)、交通監(jiān)控、環(huán)境監(jiān)測等。對現(xiàn)實世界的感知是通過傳感器收集物體的物理、化學(xué)、生物量的轉(zhuǎn)換來實現(xiàn)的。無線傳感網(wǎng)絡(luò)就是有分布密集的傳感節(jié)點組成，以無線通信的方式形成的多跳自組織網(wǎng)絡(luò)。無線傳感網(wǎng)絡(luò)的目的是自動感知物體、處理信息，并將采集的信息實時發(fā)送給用戶/數(shù)據(jù)管理中心[39]。圖23 無線傳感節(jié)點結(jié)構(gòu)無線傳感網(wǎng)絡(luò)具有部署方便、無線、獨立工作、容錯性高、擴展性好、覆蓋區(qū)域廣等優(yōu)點，可以實現(xiàn)多個目標(biāo)區(qū)域物體的實時、聯(lián)合監(jiān)測，將數(shù)據(jù)信息傳遞到外部網(wǎng)絡(luò)，提供給需求用戶。物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)有互聯(lián)網(wǎng)、通信網(wǎng)和廣電網(wǎng)，按照傳輸介質(zhì)分為無線、有線技術(shù)。ZigBee技術(shù)由ZigBee聯(lián)盟(美國摩托羅拉公司、英國Invensys公司、日本三菱電氣公司等)于2002年共同研究開發(fā)出來的，具有開發(fā)簡便、成本低、功耗低等特點的短距離通信技術(shù)。如圖24所示。第一種類型選用精簡功能設(shè)備(Reduced Function Device,RFD)，而后兩種類型選用全功能設(shè)備(Full Function Device, FFD)。ZigBee 按照一定拓撲結(jié)構(gòu)進行通信，目前有三種拓撲類型，分別是：星狀、樹狀和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)[41]，如圖25所示。智能技術(shù)物聯(lián)網(wǎng)中的對象越多，獲取信息就越多，存儲的數(shù)據(jù)信息量就越大。 本章小結(jié)本章主要闡述了物聯(lián)網(wǎng)的概念、體系結(jié)構(gòu)、設(shè)計原則和關(guān)鍵技術(shù)，在關(guān)鍵技術(shù)中，重點介紹了無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和ZigBee技術(shù)。文章提出用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)進行煤礦井下環(huán)境監(jiān)測區(qū)域的危險等級的劃分，首先利用模糊聚類方法，劃分不同的區(qū)域，然后利用模糊評判方法，評價監(jiān)測區(qū)域的危險等級。海量數(shù)據(jù)中，有價值信息的提取，將對企業(yè)的發(fā)展至關(guān)重要。人們對這一問題研究的深入，就形成了數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)這一學(xué)科。它和數(shù)據(jù)庫知識發(fā)現(xiàn)（Knowledge Discovery in Databases ,KDD）密切相關(guān)，是KDD的有效手段和過程之一。現(xiàn)階段，全世界公認的數(shù)據(jù)挖掘的定義是由Fayyad等[44]提出的。從機器學(xué)習(xí)的過程來看，DM是從現(xiàn)有大量數(shù)據(jù)中挖掘隱含的有用信息；從數(shù)據(jù)庫的角度來看，數(shù)據(jù)挖掘就是從數(shù)據(jù)庫出發(fā)，根據(jù)現(xiàn)有存儲的海量信息進行發(fā)現(xiàn)有用知識的過程。 數(shù)據(jù)挖掘的功能數(shù)據(jù)挖掘的任務(wù)是從數(shù)據(jù)庫中自動發(fā)現(xiàn)模式，對未來的趨勢和行為進行預(yù)測，給用戶或者數(shù)據(jù)擁有者提供決策支持。(1)分類分類是找出一個類別的概念描述，具有相同的對象屬性和特征，在數(shù)據(jù)挖掘中應(yīng)用最多，是對該類的內(nèi)涵描述。首先根據(jù)訓(xùn)練數(shù)據(jù)集，建立組類的數(shù)據(jù)的模型，然后用模型對未知對象類進行劃分。數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)即從數(shù)據(jù)庫中發(fā)現(xiàn)隱含的知識，主要包括：簡單關(guān)聯(lián)、時序關(guān)聯(lián)和因果關(guān)聯(lián)。(3)自動預(yù)測行為數(shù)據(jù)挖掘能從海量數(shù)據(jù)中提取具有潛在價值的知識和信息，給用戶或企業(yè)管理者的科學(xué)決策提供重要的數(shù)據(jù)支持，傳統(tǒng)的分析都是在表層的，無法進行深入的挖掘分析。 (4)聚類概念聚類技術(shù)[46]最早在20世紀(jì)80年代初由Mchalski提出，該技術(shù)同時考慮劃分出的內(nèi)涵描述的類和對象間的距離，打破了傳統(tǒng)聚類技術(shù)的局限。聚類的方法包括：神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、機器學(xué)習(xí)法等等。(5) 概念描述和偏差檢測概念描述就是對對象的屬性特征進行概括，有特征性和區(qū)別性描述。偏差檢測就是一種對數(shù)據(jù)庫中的存在的不符合數(shù)據(jù)一般特性的異常數(shù)據(jù)進行檢測技術(shù)。 數(shù)據(jù)挖掘的過程數(shù)據(jù)挖掘是一個挖掘潛在有用知識的過程，挖掘出達到預(yù)期目標(biāo)的過程是十分復(fù)雜的，不僅僅是對信息的簡單過濾或繼承，具有各自實現(xiàn)的步驟，進行數(shù)據(jù)的刪選、歸納和分析等一系列操作，與現(xiàn)實中某一具體問題有著密切的聯(lián)系。過程描述如圖所示 [47]。（1）理解數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)挖掘最終是要獲取知識，給用戶提供決策支持。（2）準(zhǔn)備數(shù)據(jù)準(zhǔn)備數(shù)據(jù)階段進行數(shù)據(jù)的梳理工作，主要包括數(shù)據(jù)的整理，分類，并將梳理好的數(shù)據(jù)按照一定的格式存儲，為后階段進行挖掘做好準(zhǔn)備。接著對多建立的模型進行評價，選擇數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，采用發(fā)現(xiàn)的模式對所建立的模型進行評估，評估過程可以使用之前的數(shù)據(jù)，也可使用新數(shù)據(jù)。（4）獲取結(jié)果挖掘結(jié)果的解釋工作是數(shù)據(jù)挖掘的最后階段，結(jié)果為用戶或者數(shù)據(jù)擁有者提供決策支持。在進行挖掘的過程中，往往將幾種發(fā)發(fā)結(jié)合在一起使用，而不是采用一種。例如，確信度為85%的關(guān)聯(lián)規(guī)則page22頁面page63頁面，表明85%的用戶在訪問了page22頁面的同時也訪問了page63頁面。每個類可以表示成一個簇，簇內(nèi)對象都具有相同的屬性特征，而不同簇中的對象差別很大。ANN建立在人腦對客觀世界認知的基礎(chǔ)上，依靠系統(tǒng)的復(fù)雜程度，進行信息的提取。通過對現(xiàn)實對象的搜集、分析、歸納，并概括出數(shù)據(jù)的相關(guān)特性來實現(xiàn)的。以上介紹了數(shù)據(jù)挖掘的主要方法及特點，在進行數(shù)據(jù)挖掘前，需要選擇合適的數(shù)據(jù)挖掘方法，從實際情況和需要解決的問題出發(fā)，仔細分析對象數(shù)據(jù)，結(jié)合數(shù)據(jù)挖掘各種方法的優(yōu)缺點，確定最合適的挖掘方法。隨著有關(guān)學(xué)科的不斷發(fā)展，數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)不僅可以發(fā)現(xiàn)行業(yè)內(nèi)的潛在的有價值的新規(guī)律，還可以檢驗長期形成的知識模式。在不久的將來，數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)將會為行業(yè)的發(fā)展起到重要的推進作用，幫助行業(yè)發(fā)現(xiàn)未來的發(fā)展趨勢，增強企業(yè)在世界范圍內(nèi)的市場競爭力。利益?zhèn)鹘y(tǒng)人工的方法分析數(shù)據(jù)中的有價值信息是不現(xiàn)實的，因此本文采用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)進行對監(jiān)測環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)進行挖掘，并對井下開采區(qū)域的環(huán)境區(qū)域進行危險等級區(qū)分，提供智能化的信息處理，為煤礦安全生產(chǎn)工作提供保障。聚類分析是實現(xiàn)數(shù)據(jù)分組處理的主要方法，按照某種相似準(zhǔn)則將特征空間中沒有類別標(biāo)記的矢量劃分到子集中去，使得正規(guī)化的子集和聚類的數(shù)據(jù)類型代表整個樣本集的某些屬性特征[49]。模糊聚類分析就是在此背景下被提出的，能更好的反應(yīng)現(xiàn)實中的現(xiàn)象，具有客觀、靈活等特點。模糊聚類算法把煤礦井下環(huán)境監(jiān)測點分成不同的類，同一類中的環(huán)境質(zhì)量相似度高，不同類中環(huán)境監(jiān)測點相似度低，井下不同環(huán)境監(jiān)測區(qū)域的危險程度不同，最終實現(xiàn)對井下監(jiān)測區(qū)域的劃分。假設(shè)煤礦井下環(huán)境監(jiān)測點的數(shù)據(jù)對象為，一個監(jiān)測點有一個數(shù)據(jù)對象表示，每個對象有屬性(監(jiān)測指標(biāo)數(shù)據(jù))，數(shù)據(jù)對象個數(shù)為(監(jiān)測點)，即，表示第數(shù)據(jù)對象為的第個屬性，則數(shù)據(jù)矩陣可以表示為式31： (31)STEP2 數(shù)據(jù)正規(guī)化由于煤礦井下環(huán)境監(jiān)測指標(biāo)數(shù)據(jù)的單位度量標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，數(shù)值差異較大