基于云计算的煤矿安全监测预警系统研究.pdf

第 3 9卷 第 3期 2 0 1 3年 3月 工矿 自 动 化 I ndu s t r y a n d M i ne Aut oma t i on V0 【 _ 3 9 NO． 3 M a r ． 2 0l 3 文章编 号 1 6 7 卜 2 5 1 X 2 0 1 3 0 3 0 0 4 6 0 4 D I 1 0 ． 7 5 2 6 ／ j ． i s s n ． 1 6 7 1 2 5 1 X． 2 0 1 3 ． 0 3 ． 0 1 3 李吴曼 ， 卢建军 ， 卫晨． 基于云计算 的煤矿安全监测预警系统研究[ J ] ． 工矿 自动化 ， 2 o 1 3 ， 3 9 3 4 6 4 9 基于云计算的煤矿安全监测预警系统研究 李 昊曼 ， 卢建 军 ， 卫晨 西安 邮 电大学 通 信与信 息 工程学 院 ，陕西 西安 7 1 0 0 6 1 摘要 针对传统煤矿安全监测 系统存在无法提前预测井下事故等问题 ， 提 出一种基于云计算的煤矿安全 监测 预 警 系统 ， 介 绍 了云 计算 、 S a a S 、 数据 挖 掘 等 相 关技 术 ， 并 详 细 阐 述 了系统 总 体 架构 及 云 数 据 中心 的设 计。该 系统可以有效地预报井下瓦斯事故 、 机 电事故、 火灾事故、 水害事故等， 降低发生安全事故的风险。 关键 词 煤 矿监 测 ；预警 ；云计 算 ； 数 据挖 掘 中图分类 号 TD 7 6 文献 标志 码 A 网络 出版 时间 2 0 1 3 0 3 0 6 2 1 1 2 网络 出版 地址 h t t p ／ ／ www． c n k i ． n e t ／ k c ms ／ d e t a i l ／ 3 2 ． 1 6 2 7 ． TP ． 2 0 1 3 0 3 0 6 ． 2 1 1 2 ． 0 1 4 ． h t ml Re s e a r c h o f c o a l mi ne s a f e t y mo ni t o r i n g a n d e a r l y wa r ni n g s y s t e m b a s e d o n c l o u d c o mp ut i n g I I Ha o mi n，L U J i a n j u n ， W EI Ch e n Sc ho ol o f Te l e c o mm u ni c a t i on a nd I n f o r ma t i o n Eng i ne e r i n g，Xi a n U n i v e r s i t y o f Pos t s a nd Te l e c o m mun i c a t i o ns ，Xi a n 7 1 0 06 1，Ch i n a Ab s t r a c t For pr ob l e m t ha t t r a d i t i on a l c o a l m i n e s a f e t y m o ni t o r i ng s ys t e m c a n no t pr e d i c t u nde r gr ou nd a c c i d e n t s i n a d v a nc e，t h e pa pe r p r op os e d a c o a l mi ne s a f e t y mo ni t or i ng a nd e a r l y wa r n i ng s y s t e m b a s e d o n c l o ud c o mput i ng． I t i nt r o du c e d r e l a t e d t e c hn ol og i e s i nc l udi ng c l ou d c o m p ut i ng，Sa a S a nd d a t a mi n i n g，a nd de s c r i be d de s i g n o f ov e r a l l a r c h i t e c t u r e a n d c l o ud d a t a c e nt e r o f t he s ys t e m i n d e t a i l s． The s y s t e m c a n e f f e c t i v e l y f o r e c a s t un de r g r ou nd g a s a c c i de nt ， m e c ha n i c a l a nd e l e c t r i c a l a c c i d e nt ， f i r e a c c i de n t ， wa t e r da m a g e a c c i d e n t ，S O a s t o r e du c e r i s k o f s e c ur i t y i n c i d e n t s． Ke y wo r ds c oa l mi ne mon i t o r i n g；e a r l y wa r n i ng；c l ou d c o mpu t i n g；da t a mi n i ng 0 引 言 随着 互联 网技 术 、 信 息技 术 和计 算 机 技 术 的发 展 ， 煤 矿安 全监 测 系统 作 为 改进 和强 化 煤 矿安 全 生 产工作 的有 效手 段 ， 正 越来 越普遍 地 在煤矿 中使 用 。 然而 传统 的煤矿 安全 监测 系统 只是在 检测 量超 出标 准水平后简单地发 出故障报警 ， 并不能在出现危险 趋势 时发 出预 报 [ 1 ] 。云计 算 是 一 种 基 于 we b的服 务 ， 煤 炭生 产企 业 只需 通 过 符合 标 准 的 方 式接 人 云 系统 即可将 资源 切 换 到需 要 的应 用 上 ， 而 无需 购 买 网络存 储 、 服务 器等 硬件 设备 ， 也不 必构建 自己的数 据 中心 ， 节 约 了大量 成本 ， 同时提高 了企业 的安 全生 产 系数 。本文 结 合传 统 安 全 监 测技 术 、 数据 挖 掘 ] 及 云 计算 _ 3 思 想 ， 设 计 了一 种 基 于云 计 算 的煤 矿 安 全 监测 预警 系统 。该系 统可 以有效 地预 报井 下瓦 斯 事 故 、 机 电事 故 、 火 灾事 故 、 水 害事 故等 ， 降低 发生 安 全 事故 的风 险 。 1 相 关技 术 1 ． 1云计 算技 术 云计算 利 用 高 速互 联 网 的传 输 能力 ， 将 数 据 的 处 理过 程从个 人计 算机 或服务 器 移到互 联 网上 的超 级计算机集群中， 该计算 机集群 由成千上万台普通 的工业 标准 服务 器组 成 ， 由大 型 的 数 据处 理 中心 管 收 稿 日期 2 0 1 2 - 1 2 - 1 8 。 基金项 目 西安邮 电大学校青年教师科 研基金项 目 Z I 2 0 1 2 - 2 9 。 作者简介 李 吴曼 1 9 8 8 一 ， 男 ， 湖北随州人， 硕士研究生 ， 主要研究方向为煤炭企业信息化 、 云计算 ， E ma i l h o r mi n 1 6 3 ． c o rn。 2 0 1 3年 第 3期 李昊 曼等 基 于云计 算 的煤矿 安 全监 测预 警 系统研 究 4 7 理 。云计 算 提供机 构将 大 量 的计算 节点 和 网络设 备 连接 在一 起 ， 构建 1 个 或若 干个 大规 模 的数 据 中心 ， 然后 以数 据 中 心 为 基 础 向用 户 提 供 各 种 层 次 的 服 务 ， 如 基 础 设 施 即 服 务 I a a S， I n f r a s t r u c t u r e a s a S e r v i c e 、平 台 即 服 务 P a a S ，P l a t f o r m a s a S e r v i c e 、软 件 即 服 务 S a a S ，S o f t wa r e a s a S e r v i c e E 4 ] 。云计 算体 系架 构 如 图 1 所 示 。 图 1石 计 算 体 系 架 构 1 ． 2 S a a S技 术 S a a S是 一 种 通 过 I n t e r n e t提 供 软 件 的模 式 。 厂商将 应用 软 件统 一 部 署 在 自己的 服务 器 上 ， 客 户 可 根 据实 际需 求通 过互 联 网向厂 商定 购所 需 的应用 软 件 服务 ， 按定 购 的服 务 多少 和 时 间 长 短 向 厂商 支 付 费 用 。用 户 不用 再 购 买 软 件 ， 而 改 用 向提供 商 租 用 基 于 we b的软 件来 管理 企业 经 营活 动 ， 且 无需 对 软 件进 行维 护 。 多租户 Mu l t i t e n a n c y 作 为 S a a S的 核心技 术 ， 其 本质 上是 一种 应用 程 序模 型 。该模 型 中的所 有用 户 和应 用可 以共 享 同一个 基础 架 构和代 码 平 台 。多 租 户设 计思 想 多个 租 户 可 以共 享 运 行 同一 套 硬 件 平 台上 的单 个应 用软 件实 例 ， 类似 于 Go o g l e的邮件 服 务 。 1 ． 3数 据 挖 掘 技 术 数 据挖 掘是 从大 量数 据或 数据 库 中提 取有 用信 息 的科 学 。在数 据 库 的 海 量数 据 中 ， 常 常蕴 涵 着 规 则 、 规 律 、 论 断之 类 的 高 层 次信 息 或 知 识 ， 仅 仅 通 过 查询处理是不可能获得这些高层次信息 的。数据挖 掘 技术 能够 在数 据库 提供 的数 据 基础上 ， 经 过分 析 、 推 理 等方法 从历 史 数 据 中提 取 隐含 信 息 ， 从 而 指 导 实 践 与深 入认 识事 物 的基 本 规 律 ， 帮 助 决 策 者 寻找 数 据 间潜 在 的关联 ， 发 现被忽 略 的 因素 ， 并 根据 现有 数 据 预测 未来 的发 展趋 势 。 2系统 总体 设计 基 于 云计 算 的煤 矿 安全 监测 预警 系统 由井 下数 据 采集 端 、 中心 服务 器 、 云数 据 中心及 监测 指挥 中心 构 成 ， 如 图 2所 示 。其 中井下 数据 采集 端 、 中心 服务 器 和监 测指 挥 中心 由矿 区 自行建 设 ， 云 数据 中心 由 国家 或省一 级 的煤 矿安 全生产 监督 部 门与 云计算 设 备 技术 厂商 联 合建 立 ， 为 所 辖 地 区 的 煤 炭生 产 企 业 提 供安 全生 产监 测 预警 信息 。 ．． ． l 堂 ⋯ 图 2 煤矿安全监测预警系统总体框架 井 下数 据 采 集 端 由各 种 传 感 器 和 监 控 分 站 组 成 ， 负 责 采 集 并 上 传 井 下 瓦 斯 、 风 速 、 C O、 温 度 、 湿 度 、 负压 、 设 备运 行状 态等 模拟 量参 数及 机 电设备 开 停、 风门开关 、 设备供电状态等开关量参数。 中心 服 务 器 安 装 云 数 据 中心 提 供 的 客 户端 软 件 ， 负责 接 收井下 数据 采集 端发 送 的实 时数据 ， 将 数 据处 理转 换 为云 数 据 中 心需 要 的标 准 数 据格 式 ， 并 即时发送 给 云数 据 中心 。 云 数据 中心 由服务 供 应 商 提供 ， 负 责给 煤 炭 生 产企 业提 供 安全 生产 监测 和预 警服务 。云数 据 中心 将 实时监 测数 据存 人 云端 数 据 库 ， 运 用 其 强 大 的 运 算 能力 ， 通过 数据 挖 掘 算 法在 历 史 监 测 数 据 中 找 到 和 当前实 时监 测数 据 相 匹配 的数 据 模 型 ， 从 而判 断 当前 井下 安 全 生 产 状 况 并 提 供 预 警 。云 数 据 中 心 We b服务 器是 云数 据 中心 为 客 户提 供 服 务 的 窗 口， 负责 接 收用 户 的监 测 预 警 服 务 请 求 ， 并 调 用 云数 据 中心 的存储资源和计算资源为客户提供服务 ] 。 监测 指挥 中心 是集 井下 监测 、 指挥 调 度 、 应 急救 援 于一体 的安 全监 测 调度指 挥平 台。监测 指挥 中心 4 8 工矿 自动化 2 0 l 3年 第 3 9卷 的工 作人员 只需 用 浏 览 器 访 问 云数 据 中 心 的 We b 服务 器 ， 即可获 取本矿 区安 全生 产监 测预 警信息 ， 并 在预 警或 者事故 发生 时进 行指挥 调度 。 3云数据 中心 设计 3 ． 1 云 数 据 中心 架 构 云数 据 中心是基 于 云计算 的煤 矿安全 监测 预警 系统 的 核心 组 成 部 分 ， 主 要 由前 台 服 务 器 、 后 台集 群 、 监测 信息 收集 服务 器 和 云 服务 管 理 4层 架 构组 成 ， 如 图 3所示 。 前 厶 服 务 器 后 台 集 群 We b 服务器 f ． 。 ． l L s F 命 令 调 用 l 4 l I L S F管理节点 l 云 ’ I I I 务 计 算 节 点 A I I计 算 节 点 B l I计 算 节 点 c l 管 理 ； ’ - ．1 业 务 应 用 程 序l l＼ 数 据 库 l l 监测信息收集服务器 l 矿区 中心服务器 图 3云数据 中心架构 前 台服务器 是一 台 We b服务 器 ， 用 于 向云 服务 消费企 业 提供统 一 的 登 录界 面和 访 问接 口； 根 据 云 的服务和资源状况 ， 封装云服务资源 ； 对服务和消费 进行分 级 ， 多样计 费 。we b服 务 器 将用 户 的服务 请 求转换 成 L S F L o a d S h a r i n g F a c i l i t y ， 负 载 均 衡 算 法 命 令发 送给 后 台集 群 。L S F是 分 布 资 源 管理 的 工具 ， 用来 调度 、 分析 、 监 视联 网计算 机 的负载 ， 将用 户任 务提 交到后 台 I S F管理 节点 。 后 台 集 群 是 提 供 安 全 监 测 预 警 服 务 的核 心 模 块 ， 包 括 I S F管 理 节 点 、 计 算 节 点 以及 集 群 共享 数 据库 。I S F管 理节 点是 整 个 集群 的 中枢 ， 它 通 过接 收 We b服 务器传 递 的 L S F命 令来 驱 动整 个 集 群运 作 ， 管理 节 点并 检 测 各 节 点 的运 行 状 况 ， 运 行 L S F 命令 并将 作业 派发 给各个 计算 节点 。真 正执 行作业 的是计算 节点 ， 计算 节点 接 收管理 节点 提交 的任务 ， 并 调用 相应 的业务 应 用 程 序 ， 结 合用 户 请 求 来 运行 计算 任 务 刮 。 监 测信 息收集 服务 器 采用 c ／ s架 构 ， 与所 辖 煤 炭 生产 企业 中心 服务 器 连 接 ， 接 收 各 矿 区井 下 安 全 监 测数 据 ， 并 存人 后 台集群数 据库 中。 云服 务管 理 贯 穿 于前 台服务 器 、 后 台集群 和 监 测信息收集服务器中， 用于维护云基础设施 ， 确保云 数据 中心体 系 的稳定 和可靠 。 3 ． 2安 全监 测预警模 型 安全监 测 预警模 型如 图 4 所 示 。数据 采集模 块 用于 消除 噪声数 据 ， 将 所 采 集 的数 据 以二 维表 的形 式 录入煤矿 安全 监测 原始 信息 数据库 中。数据 分离 模块 根据数 据挖 掘 任 务确 定 数 据 源 ， 抽 取 数据 并 进 行数据清洗 、 分离和集成 ， 形成有效数据。数据挖掘 模块 是系统 的核 心 部分 ， 由数 据 准 备 数 据 清 洗 、 集 成 、 变换 、 数 据 挖 掘 算 法 执 行 、 结 果 表 达 等 阶 段 组 成 。该模块 将 采 集 到 的 瓦斯 体 积 分 数 、 C O 体 积 分 数 、 风速 、 顶 板压 力 、 温度 等指标 进行 数据 预处理 ， 并 利用 关联 规则 对预处 理后 的数 据进行 挖 掘 。数 据评 估模 块用 于分 析关 联 规 则 ， 找 出领 域 知 识 中的强 关 联规 则 ， 并 利用 强关 联 规 则 对煤 矿 安 全 生 产状 态进 行监 控 与预测 ， 从而 为煤 矿监测 预警 提供 决策 支持 。 ⋯ ⋯⋯⋯ ．．．⋯ ⋯ ⋯ 一 一 数据采集模块 l 剖 4安 全 监测 预警 模 型 4 结 语 详细介 绍 了基 于云计 算 的煤 矿安 全监 测预 警 系 统 的架构模 型 ， 并对 云 数 据 中心 的设 计 进 行 了重 点 分析 。 目前 ， 云 计算还 没有 一个 统一 的定 义 ， 众 多云 计算 技术领 先 的 I T 企业 对 云 计算 的架 构 理解 也 不 尽相同， 云计算的关键技术如虚拟化技术 、 分布式并 行编 辑模式 技 术 、 分 布式数 据存 储技 术 、 信 息安 全技 术也 存在众 多 的解决 方案 。基 于云计 算 的煤矿 安全 同 离 一 分 块 ～ 据 模 一 数 一 第 3 9卷 第 3期 2 0 1 3年 3月 Vo1 ． 3 9 NO ． 3 M a r ． 2 O 1 3 文章 编号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 1 3 0 3 0 0 4 9 0 4 DOI 1 0 ． 7 5 2 6 ／ j ． i s s n ． 1 6 7 1 2 5 l X ． 2 0 1 3 ． 0 3 ． 0 1 4 汪凌 ． 煤矿 瓦斯 预测 专 家系统 中基于 粗集 的知识 获 取方 法 [ J ] ． 工矿 自动 化 ， 2 0 1 3 ， 3 9 3 4 9 5 2 ． 煤矿瓦斯预测专家系统 中基于粗集的 知识获取方法 汪凌 。 1 ． 北京 交通 大 学 中 国产业 安全 研究 中心 ，北京1 0 0 0 4 4 ； 2 ． 安 徽理 工 大学 经济 管理 学 院 ，安徽 淮 南 2 3 2 0 0 1 摘要 针 对现 有煤 矿 瓦斯预 测 专 家 系统 因没 有新 知识 获 取措 施 及 知识 自更新 功 能 而预 测 效 果 不佳 的 问 题 ， 提 出了基 于粗 集 的知识 获取 方 法 。该方 法首 先建 立 瓦斯数 据与 瓦斯 突 出强度 之 间关 系的预 测样 本 集 ； 然 后运 用粗 糙 集的连 续属 性 离散 化 、 属 性 约 简以及规 则提 取 算 法 ， 从 大量 的预 测样 本 集 中 自动 获 取预 测知 识 ， 并将 预 测知 识存储 于专 家 系统 知识 库 中 ； 最后 基 于推 理机 实现 煤矿 瓦斯 突 出的 实时预 测 。 实例 分 析验 证 了 该 方 法在 煤 矿 瓦斯 突 出预 测专 家 系统知 识 获取 中的有 效性 和 实用性 。 关键 词 瓦斯 突出 ；瓦斯 预测 ；专 家 系统 ；知 识 获取 ；粗糙 集理论 中图分类 号 TD7 1 2 ． 5 文 献标 志码 A 网络 出版时 间 2 0 1 3 0 3 0 6 1 4 4 3 网络 出版地址 h t t p ／ ／ www． c n k i ． n e t ／ k c ms ／ d e t a i l ／ 3 2 ． 1 6 2 7 ． T P ． 2 0 1 3 0 3 0 6 ． 1 4 4 3 ． O 0 1 ． h t ml Kn o wl e d ge a c q u i s i t i o n a p p r o a c h ba s e d o n r o u gh s e t s t he o r y f o r g a s{ o r e c a s t e xp e r t s y s t e m o f c o a l m i n e W ANG Li n g ， 。 1 ． Ch i n a Ce n t e r f o r I n d u s t r i a l S e c u r i t y Re s e a r c h，Be i j i n g J i a o t o n g Un i v e r s i t y ，B e i j i n g 1 0 0 0 4 4，Ch i n a； 2． Sc ho ol o f Ec o no mi c a nd M a na ge me n t ，Anhu i Un i ve r s i t y of Sc i e n c e a n d Te c hn ol o gy， Hua i na n 2 32 0 01，Chi n a Ab s t r a c t Fo r p r ob l e m o f p oo r f o r e c a s t e f f e c t o f e x i s t i ng g a s f or e c a s t e xp e r t s ys t e m of c o a l m i n e be c a u s e o f no n e w kno wl e d ge a c qu i s i t i o n me a s u r e s a n d s e l f r e n e wa l f u nc t i o n f o r kno wl e dge ，a kn owl e dg e 收稿 日期 2 0 1 2 1 2 1 1 。 基金项 目 教育部人文社会科学研究青年基金项 目 1 1 Y J C6 3 0 1 9 5 ； 安徽省高校省级 自然科学研究重点项 目 KJ 2 0 1 2 A0 7 6 。 作者简介 汪凌 1 9 7 6 ， 男 ， 安徽桐城人 ， 副教授， 博 士， 主要研 究方 向为粗 集决策 分析、 管理 复杂性 与煤矿安全 ， E ma i l t e wl i n g 1 2 6 ． c o m。 监 测预警 系 统 中云数 据 中心架 构 和关键 技术 的具 体 实 现将 是下 一 步工 作 的重 点 。 同时 ， 监 测 预 警 算 法 的优化 对服 务质 量起 到关 键 作 用 ， 应 对 该 技 术 进 行 进 一步研 究 。 参 考 文 献 [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] 刘晓宇． 煤矿瓦斯 爆炸 安全 预警 系统研 究 [ J ] ． 中 国市 场 ， 2 0 1 2 1 0 7 5 7 6 ． 张云涛 ， 龚玲． 数据挖掘原理 与技术 [ M] ． 北京 电子 T 业 出版 社 ， 2 0 0 4 ． 张旭东． 关 于对 云计算 技术 的研 究与 应用 [ J ] ． 信息 系 E 4 ] E 5 ] [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ] 统 工 程 ， 2 0 1 2 4 i 4 8 1 4 9 ． 许 四平． S a a S软 件 即 服 务 模 型 研 究 [ J ] ． 硅 谷 ， 2 0 0 9 4 9． 罗军周 ， 金嘉晖 ， 宋 爱波 ， 等． 云 计算 体 系架构 与关 键 技术 [ J ] ． 通信 学报 ， 2 0 1 1 ， 3 2 7 3 - 2 1 ． 施游 ， 张智勇． 云计算 体 系架构 [ J ] ． 电脑知 识 与技术 ， 20 11， 7 1 8 3 8 4， 1 1 5． 李瑞华． 数 据 挖 掘在 煤 矿安 全 监 测 中 的应 用 [ D] ． 西 安 西 安 电 子 科 技 大 学 ， 2 0 1 0 2 3 3 0 史海燕 ， 锅艳玲． 云计算 在中小企业信息化建设 中的应 用分 析[ J ] ． 中 国商贸 ， 2 0 1 2 1 2 2 4 4 2 4 5 ． ∞ 化 m 动 自 d 矿 工