【正文】 ，若直接使用檢測參數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行聚類分析，會造成聚類結(jié)果誤差大。煤礦井下環(huán)境監(jiān)測環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)經(jīng)正規(guī)化后，檢測點的參數(shù)數(shù)據(jù)的數(shù)值的區(qū)間范圍為。選擇合適的量化對象間親疏關(guān)系的相似度非常重要，常見的相似度計算有相似系數(shù)和距離系數(shù)兩大類。表示相似程度的變化的相似系數(shù)是一個變量，滿足， 其中，表示數(shù)據(jù)對象間無相關(guān)性；反之，若接近1,表示相似程度越大。的值越小表示稅局對象相似度越高。表示一組有序?qū)Γ瑸榫垲惙治龅妮斎?，其中表示?shù)據(jù)對象的相似度的標(biāo)準(zhǔn)。如果，是全體的子集，如下所示： (310) (311)數(shù)據(jù)對象對子集的隸屬關(guān)系可用隸屬函數(shù)表示： (312) (313)公式(312),(313)中，隸屬函數(shù)需滿足條件：，即每個數(shù)據(jù)對象屬于一個類。模糊評價經(jīng)歷評價對象集、因素集和評語集的設(shè)置，建立隸屬函數(shù)，建立權(quán)重集，模糊評價和評價指標(biāo)處理等階段。階段2建立隸屬度函數(shù)針對一個數(shù)據(jù)對象進(jìn)行評判，確定評判對象對評價集元素的隸屬度，稱為單因素模糊評判。階段4 模糊評價根據(jù)階段2和階段3，可或得模糊綜合評判集 (316)階段5 評價指標(biāo)處理根據(jù)階段4得到評價指標(biāo)后，需要對其進(jìn)行處理，以便得到最優(yōu)的評價結(jié)果，處理方式有：采用等級參數(shù)評價法和采用最大隸屬度法。本章主要研究數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)在煤礦井下環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用。第四章 系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)與關(guān)鍵模塊基于物聯(lián)網(wǎng)的煤礦井下環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)主要完成對井下環(huán)境參數(shù)的監(jiān)測和實現(xiàn)井下工作人員的定位跟蹤，將收集的信息數(shù)據(jù)存儲并上傳到監(jiān)控中心，為煤礦企業(yè)的安全生產(chǎn)、管理者制定科學(xué)決策提供有效依據(jù)。 系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)煤礦井下開采環(huán)境十分復(fù)雜，基于物聯(lián)網(wǎng)的煤礦井下環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計時，需要結(jié)合井下實際開采環(huán)境。其中主巷道和支巷道構(gòu)成巷道區(qū)，煤礦開采區(qū)域一般都分布在主巷道和部分支巷道區(qū)域，這些區(qū)域由于地形比較寬闊，形狀規(guī)則，通常易于布置有限光纖骨干網(wǎng)的有線監(jiān)測系統(tǒng)，相對于地形不規(guī)則、狹窄的部分支巷道、開采區(qū)域，就會個布置有線檢測系統(tǒng)帶來一定的難度。其次，井下現(xiàn)有的有線基礎(chǔ)設(shè)施需要充分利用，無線傳感網(wǎng)絡(luò)收集的數(shù)據(jù)信息經(jīng)現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸和處理；采用高效的能量利用率，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的部署，保證網(wǎng)絡(luò)的正常工作；在不需人工干預(yù)的條件下，網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該具有自組網(wǎng)、擴展方便等特點，一出現(xiàn)新的開采點網(wǎng)絡(luò)隨之進(jìn)行跟進(jìn)，減少由于新的開采區(qū)域帶來的監(jiān)測盲區(qū)監(jiān)測； 最后，針對井下環(huán)境巷道錯綜復(fù)雜，條件差的特點，為保障網(wǎng)絡(luò)的健康運行，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)要具有較強的容錯性和魯棒性。井下環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)由三層體系結(jié)構(gòu)組成，分別為：地面監(jiān)控中心、骨干網(wǎng)絡(luò)和無線傳感網(wǎng)絡(luò)，三層體系結(jié)構(gòu)與物聯(lián)網(wǎng)的三層體系結(jié)構(gòu)(應(yīng)用層、網(wǎng)絡(luò)層和感知層)一一對應(yīng)。網(wǎng)絡(luò)層的骨干網(wǎng)為有線光纖，無線傳感網(wǎng)絡(luò)的信息傳送方式，即無線網(wǎng)絡(luò)與地面監(jiān)控中心的信息交互分為有線或無線接入兩種。監(jiān)控中心連接互聯(lián)網(wǎng)，使得煤礦企業(yè)管理人員只要能連互聯(lián)網(wǎng)，就可以實現(xiàn)遠(yuǎn)程對煤礦井下環(huán)境的實時有效監(jiān)控，確保煤礦企業(yè)安全生產(chǎn)。在煤礦發(fā)生事故時，通過井下環(huán)境監(jiān)測中心可以提供歷史數(shù)據(jù)，實時數(shù)據(jù)等，為救災(zāi)工作的順利進(jìn)行提供數(shù)據(jù)支持和保障。環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)由監(jiān)測管理軟件和后臺數(shù)據(jù)庫組成，前者包括數(shù)據(jù)傳輸、處理和顯示等模塊。數(shù)據(jù)庫主要負(fù)責(zé)接收上傳數(shù)據(jù)(包括環(huán)境參數(shù)、員工位置等)和硬件配置參數(shù)、賬戶信息等存儲與管理，并根據(jù)需求將數(shù)據(jù)提供給使用者。圖42 基于物聯(lián)網(wǎng)的煤礦井下環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)平臺功能模塊數(shù)據(jù)獲取，主要包括煤礦井下環(huán)境監(jiān)測參數(shù)的接收、存儲、分析等功能。數(shù)據(jù)輸出,在煤礦井下環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)輸出就是給用戶或煤礦企業(yè)管理者進(jìn)行數(shù)據(jù)可視化顯示(如井下工作人員的位置軌跡、井下傳感器節(jié)點部署情況等)、數(shù)據(jù)歷史記錄查詢、預(yù)警提醒(如井下環(huán)境危險等級劃分、節(jié)點失效等異常情況)等功能。系統(tǒng)正常工作前，先進(jìn)行端口設(shè)置，再設(shè)置網(wǎng)絡(luò)節(jié)點位置、參數(shù)等信息，網(wǎng)絡(luò)才能正常工作。賬戶管理主要是用戶權(quán)限設(shè)置和密碼管理；數(shù)據(jù)管理負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的編輯(添加、刪除等)操作，為保證數(shù)據(jù)的安全性，需要定期進(jìn)行備份數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)查詢即對用戶信息或者監(jiān)測區(qū)域信息進(jìn)行查詢操作。SMS短信息即以短信的形式向指定用戶或者管理者發(fā)送數(shù)據(jù)信息。系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸模塊采集各種傳感器上傳的參數(shù)數(shù)據(jù)后，傳給數(shù)據(jù)管理模塊進(jìn)行存儲?；谖锫?lián)網(wǎng)的煤礦井下環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的功能模塊間的關(guān)系如圖43所示：圖43 功能模塊間關(guān)系 關(guān)鍵模塊 GIS 模塊地理信息系統(tǒng) (Geographic Information System，GIS)是一項按照空間地理坐標(biāo)、位置，對其進(jìn)行處理的空間數(shù)據(jù)技術(shù)。GIS模塊作為煤礦井下環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的主要組成部分，井下環(huán)境監(jiān)測區(qū)域以可視化形式呈現(xiàn)給用戶、管理者，具有對煤礦井下環(huán)境實時查詢、控制、分析，實現(xiàn)井下工作人員的定位、預(yù)報警等多種功能。隨著GIS的不斷發(fā)展，地理空間數(shù)據(jù)的需求增長迅速。MapInfo 公司推出的MapXtreme開發(fā)工具，基于Internet的應(yīng)用服務(wù)器，具有強大的地圖功能，實現(xiàn)可視化的顯示?；谖锫?lián)網(wǎng)的煤礦井下環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的GIS模塊就是采用MapXtreme開發(fā)實現(xiàn)的，MapX、MapX Server，和MapX Broker是MapXtreme的三個主部件。應(yīng)用程序和地圖引擎的溝通是通過第四個對象MapXCourier來實現(xiàn)。為了訪問 MapX，MapXCourier使應(yīng)用程序通過MapXServer 實例來實現(xiàn)。MapXtreme的工作機制描述如下：應(yīng)用程序首先請求地圖服務(wù)，地圖引擎將生產(chǎn)一個MapX Courier 對象，接著訪問MapX 對象，加載Geoset 地圖集，通過剛產(chǎn)生的對象使用MapXServer 實例完成；然后編寫實現(xiàn)功能的程序，根據(jù)用戶的實際需求，對地圖類型進(jìn)行判斷，對MapX對象進(jìn)行編輯操作；最后MapX 對象進(jìn)行空間分析處理，結(jié)果反饋到客戶端。該模塊顯示井下環(huán)境監(jiān)測區(qū)域的員工的位置和監(jiān)測點的部署情況，并結(jié)合模糊數(shù)據(jù)聚類和評價技術(shù)，進(jìn)行空間數(shù)據(jù)分析，顯示劃分的井下環(huán)境監(jiān)測區(qū)域和危險等級區(qū)域的位置信息。圖44 GIS模塊結(jié)構(gòu)GIS的顯示界面上，井下環(huán)境監(jiān)測點和井下工作人員位置的顯示，獲取監(jiān)測點和礦工的數(shù)據(jù)信息，通常用不同的標(biāo)記來標(biāo)識井下區(qū)域環(huán)境監(jiān)測點和井下工作人員的位置，例如，不同顏色的圖形標(biāo)識不同的監(jiān)測點。通過ADO的數(shù)據(jù)訪問方式訪問數(shù)據(jù)庫，并將獲得的記錄集與煤礦井下地圖進(jìn)行綁定，形成新的圖層，顯示煤礦井下區(qū)域監(jiān)測點坐標(biāo)的位置。煤礦井下工作人員的可視化顯示與環(huán)境監(jiān)測點在煤礦井下的分布原理相同，井下員工位置在煤礦井下地圖上以二維坐標(biāo)值(x,y)表示，通過設(shè)置參考點(0,0)即煤礦井下地圖的中心位置,然后按照相應(yīng)的比例將井下員工所處的位置信息通過傳感網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)傳遞存儲在監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫中。井下工作人員位置更新操作是采用程序中計時器功能，根據(jù)獲取最近時間值作為查詢數(shù)據(jù)庫的限定條件，獲得最新時間的位置信息，并刪除上一時間點的定位圖層，更新井下工作人員的位置，管理人員通過員工的ID實時查詢該員工井下的位置。以上給出了煤礦井下員工的定位及實現(xiàn)過程，礦工在井下開采過程中，位置一直是變化的。井下員工位置軌跡的顯示通過時間間隔內(nèi)的歷史位置信息組與井下區(qū)域地圖進(jìn)行綁定，建立井下人員運動軌跡的圖層，利用MapX添加線圖元的方式，實現(xiàn)位置點的連線過程，再設(shè)定畫線速率，就可顯示井下員工在該時間段的運動軌跡。 SMS短信息SMS(Short Message Service)短信，是一種存儲和轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)，利用SMS短消息將井下環(huán)境監(jiān)測區(qū)域監(jiān)測點的工作信息、是否出現(xiàn)異常監(jiān)測參數(shù)值等發(fā)送給監(jiān)測人員或者煤礦企業(yè)的管理者，實現(xiàn)檢測人員和管理者在任何地點都能及時掌握井下環(huán)境參數(shù)信息。SMS能夠在短消息服務(wù)中心和移動臺之間傳遞，服務(wù)中心是通過GSM網(wǎng)絡(luò)與稱為SMS GMSC的特定MSC進(jìn)行聯(lián)系，通過SMS中心進(jìn)行消息轉(zhuǎn)發(fā)。SMS管理的相關(guān)協(xié)議如圖45所示。SMS短信息的工作機制：首先SME接受用戶的短信，然后轉(zhuǎn)發(fā)給SMSC，SMS網(wǎng)關(guān)接受SMSC發(fā)送的短信，同時根據(jù)HLR查詢路由信息將短信發(fā)送給目的交換中心，最后，MSC發(fā)送的信息被基站子系統(tǒng)接受，并發(fā)送給目標(biāo)用戶。SMS模塊工作時，首先會自動進(jìn)行檢測計算機與短信貓的連接情況，連接正常后，再設(shè)置包括比特率、串口號、目標(biāo)手機號、內(nèi)容等通信參數(shù)，接著短信貓會收到來自系統(tǒng)的AT命令，進(jìn)行短信發(fā)送、讀取、存儲、設(shè)置格式等操作。圖46短信模塊流程圖表41部分AT命令表AT命令格式功能說明AT+CMGW寫短信編輯短信并保持AT+CMGS發(fā)送短信短信發(fā)送AT+CMGD刪除短信短信刪除AT+CPMS存儲短信選擇短信存儲AT+CMGR讀取短信短信讀取AT+CMGF短信格式設(shè)置不同短信格式AT+CNMI新短信提示選擇有新短信提醒方式AT+CSCA服務(wù)中心地址提供短信服務(wù)中心號碼 數(shù)據(jù)傳輸數(shù)據(jù)傳輸模塊主要實現(xiàn)井下無線傳感網(wǎng)絡(luò)和環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)交互。通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)生連接請求，接受并建立連接，煤礦管理人員可向井下員工發(fā)送命令，井下各種傳感器采集的數(shù)據(jù)可上傳到數(shù)據(jù)庫。Socket稱為“套接字”，通常請求或者應(yīng)答網(wǎng)絡(luò)請求都是應(yīng)用程序通過Socket向網(wǎng)絡(luò)發(fā)出的。原始套接字實現(xiàn)IP數(shù)據(jù)包通信，實現(xiàn)無連接的UDP通信的是數(shù)據(jù)報套接字，而實現(xiàn)面向連接的TCP通信是流套接字。第一個步驟指服務(wù)器套接字處于等待連接的狀態(tài)，并不具體定位客戶端，進(jìn)行監(jiān)控；第二個步驟指請求連接服務(wù)器套接字，由客戶端發(fā)起，并指出服務(wù)器套接字的地址和端口，向服務(wù)器套接字提供連接請求；第三個步驟指服務(wù)器套接字監(jiān)聽到請求后，響應(yīng)客戶端的請求，發(fā)送信息給客戶端，客戶端確認(rèn)收到來自服務(wù)器端信息后，便建立連接。傳輸控制通信協(xié)議(Transmission Control Protocol,TCP)為兩臺主機提供可靠的數(shù)據(jù)通信，其數(shù)據(jù)傳輸機制：首先TCP層收到應(yīng)用層發(fā)送用于網(wǎng)間傳輸?shù)摹?位字節(jié)表示的數(shù)據(jù)流，然后TCP將其劃分成適當(dāng)長度的數(shù)據(jù)塊，通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)侥繕?biāo)主機；目標(biāo)主機將作出響應(yīng)，回復(fù)確認(rèn)信息；當(dāng)回復(fù)確認(rèn)信息被源主機收到后，表面目標(biāo)主機接收數(shù)據(jù)成功；若果出現(xiàn)異常情況如超時等，則進(jìn)行重新發(fā)送操作。TCP采用三次握手協(xié)議來確保數(shù)據(jù)正確的傳輸，具體有以下說那個步驟：STEP1 源主機發(fā)送建立TCP連接請求；STEP2 目標(biāo)主機進(jìn)行響應(yīng)，若同意，則主機進(jìn)程發(fā)送同意應(yīng)答響應(yīng)；STEP3 源主機再次確認(rèn)應(yīng)答響應(yīng)，建立連接，通過Socket 進(jìn)行兩主機間數(shù)據(jù)傳輸。UDP是一種盡最大努力交付、不可靠的、面向無連接的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)。采用路由算法，將劃分好的數(shù)據(jù)包通過不同的路由發(fā)送到目標(biāo)主機。通常為了保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)某晒?，網(wǎng)絡(luò)層采用ICMP協(xié)議，并配合TCP協(xié)議，進(jìn)行可靠傳輸。通信主機間若采用UDP連接，由于UDP面向無連接服務(wù)，則客戶端和服務(wù)器不需進(jìn)行連接，服務(wù)器端啟動UDP服務(wù)，綁定端口和IP地址，開始監(jiān)聽服務(wù)，當(dāng)數(shù)據(jù)到達(dá)時，進(jìn)行接收和處理操作。具體過程如圖47所示。服務(wù)器端Socket 連接流程如圖48所示。圖48 服務(wù)器端Socket連接流程圖49 客戶器端Socket請求連接流程 環(huán)境預(yù)報警基于物聯(lián)網(wǎng)的煤礦井下環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的井下環(huán)境預(yù)報警模塊，針對井下環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，判斷井下監(jiān)測區(qū)域環(huán)境參數(shù)值是否超出安全值，若超出安全值就會觸發(fā)報警，使監(jiān)測人員能及時、有效的對突發(fā)事件進(jìn)行處理。煤礦企業(yè)管理者根據(jù)預(yù)報警模塊提供的準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，定時查詢井下環(huán)境參數(shù)，通過掌握井下不同區(qū)域的環(huán)境參數(shù)的變化，及時采取應(yīng)對措施，減少井下事故的發(fā)生，保證煤礦企業(yè)安全正常生產(chǎn)。圖410 環(huán)境預(yù)報警模塊工作流程圖 本章小結(jié)本章主要對基于物聯(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(jìn)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)。煤礦企業(yè)一旦遇到井下工作區(qū)域環(huán)境參數(shù)超標(biāo)、瓦斯爆炸等突發(fā)事故，系統(tǒng)可實時進(jìn)行報警，并給救援人員提供可靠的數(shù)據(jù)支持，便于科學(xué)、快速進(jìn)行救援工作。 系統(tǒng)的設(shè)計目標(biāo)井下環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實現(xiàn)井下環(huán)境參數(shù)的監(jiān)控、礦工位置跟蹤、環(huán)境監(jiān)測預(yù)報警等功能。系統(tǒng)的設(shè)計與構(gòu)建同時具有安全可靠、井下全覆蓋、易配置、數(shù)據(jù)傳輸準(zhǔn)確等特點，有效的幫助監(jiān)控人員和管理者實時監(jiān)控井下開采的環(huán)境信息和人員位置軌跡信息，對煤礦企業(yè)進(jìn)行安全生產(chǎn)，減少事故的發(fā)生提供重要的決策依據(jù)。(2)井下監(jiān)測數(shù)據(jù)的共享和服務(wù)監(jiān)測系統(tǒng)對井下環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)、人員定位軌跡信息等進(jìn)行有效管理，進(jìn)行環(huán)境空間數(shù)據(jù)的共享，監(jiān)測人員和管理者可以實時掌握井下的開采生產(chǎn)情況，包括井下各種環(huán)境參數(shù)和工作人員的查詢、可視化顯示和信息服務(wù)等。(4) 系統(tǒng)具備SMS短信息和遠(yuǎn)程訪問功能系統(tǒng)可以實時將井下環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)等發(fā)送給指定用戶或管理者，并且合法用戶可以通過互聯(lián)網(wǎng)接入設(shè)備訪問系統(tǒng)，可對監(jiān)測點進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、發(fā)送命令、查看井下環(huán)境情況等操作。 系統(tǒng)設(shè)計基于物聯(lián)網(wǎng)的煤礦井下環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，通過井下環(huán)境參數(shù)信息的采集、上傳、存儲等操作，進(jìn)行數(shù)據(jù)的分析處理，呈現(xiàn)給用戶或管理員可視化的結(jié)果。下位機負(fù)責(zé)接收各種傳感器采集的數(shù)據(jù)，通過網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)上傳到監(jiān)控系統(tǒng)。圖51 總體框架下位機系統(tǒng)通常負(fù)責(zé)接收各種傳感器發(fā)送的實時數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行打包處理，進(jìn)而利用網(wǎng)絡(luò)連接（無線或有線）上傳到監(jiān)測中心。數(shù)據(jù)的處理與存儲是接收傳感器發(fā)送的環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)，并進(jìn)行本地存儲，在交付到數(shù)據(jù)傳輸模塊；數(shù)據(jù)傳輸模塊接收到數(shù)據(jù)后，通過建立Socket 連接，上傳到監(jiān)測系統(tǒng)，同時接收監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)送的命令，并交給控制模塊處理。下位機數(shù)據(jù)采集模式有自動采集和命令采集兩種[55]，前者按照設(shè)定的頻率通過向傳感器發(fā)送指令，獲取數(shù)據(jù)，進(jìn)行打包、上傳到監(jiān)測系統(tǒng)，不需再次設(shè)定的采集模式，是目前主要采用的模式；與前者不同的是，后者需要指定下位機再發(fā)送