矿井安全论文提纲

论文题目：基于复用型物联网的矿井安全生产智能监控系统关键技术研究与应用

摘要：对矿井生产全过程智能化监控是实现矿山安全生产的有效途径之一,构建矿山复用型物联网以保证矿井全域信息的有效采集、可靠传输和实时监控是一个值得研究的应用基础性前沿课题,对数字化矿山的发展具有推进作用。通过建立集数据/音频/视频多媒体信息为一体综合解决方案,结合无线传感移动容迟网络模型、无测距依赖动态定位方法、无线网络跨层协作控制方法,以及嵌入式系统技术、无线-有线无缝接入技术和计算机冗余网络技术等,力图实现对矿井生产环境、设备和人员的全局实时监控与可视化综合管理。同时,采用稳定成熟的光纤冗余环愈网、改进的IEEE802.15.4协议、数/音/视三合一多媒体信息和复用型物联网等技术,以高精度工业级芯片和器件,以及先进的工艺流程、生产设备和检测检验仪器,确保数据、语音和图像清晰准确。研制的矿山复用型物联网智能监控系统完全符合国家的煤炭安全标准,具有稳定性高与安全性好等特点,为矿山生产安全的实践提供可靠的技术理论方法支持和工程应用依据。本文的主要研究工作如下:⑴提出了一种无线自组网GCDC-MAC协议。针对矿山复用型物联网中无线自组织网络的节点具有不公平信道竞争机制所造成的重要信息丢失问题,将产生的实时动态数据信息划分为高/低重要性两个优先级别,基于马尔可夫链方法建立节点内的高/低优先级数据缓冲队列模型,基于CSMA/CA信道竞争机制动态优化调整信道使用权,构建高优先级数据具有信道使用优先权,低优先级数据在不溢出的情况下自行退避的信息传输机制算法。通过对不同数据产生量条件下的数据有效吞吐率、网络信道冲撞率和节点能耗的状态进行仿真实验分析与检验,结果表明:该算法能有效对网络中的数据进行分类传输,在不过度影响低优先级数据的传输率的情况下,能有效的提高了高优先级数据传输率。可为矿山复用型物联网节点的高效信息传输提供工程应用的理论方法支持。⑵提出了一种无线自组网ORAGC路由算法。针对矿山复用型物联网中无线自组织网络的移动节点具有高度动态性、可接入的局部网络拓扑结构变化和能量受限的问题,采用最小生成树方法寻求可靠的路由路径数量以保证节点间的可连通性,采用度约束机制定义节点控制路由路径数量以提高连通性减小能耗。基于优化遗传算法对网络中的节点进行动态分簇以平衡负载减小能耗,寻求更长的网络生命周期。通过对移动节点在不同变化的网络拓扑结构下的容迟移动互连性和能耗进行仿真实验,结果表明:该算法相较于其他同类型算法可以有效选择最优路由路径,可为矿山复用型物联网节点的移动互连和延长生命周期提供工程应用的理论方法支持。⑶提出了一种矿井移动节点IMDS定位算法。针对矿山复用型物联网中无线自组织网络的拓扑结构具有空洞和移动节点的随机游动性,基于卡尔曼滤波法估计RSSI信号强度和移动节点位置,基于弹性粒子算法优化RSSI测距模型的测量结果,基于到达角度算法计算网络中所有节点间的距离并建立矩阵,基于多维尺度算法对距离矩阵重构得到移动节点的最终位置信息。通过对移动节点在网络具有空洞的不同拓扑结构下的定位精度进行仿真实验,结果表明:该算法相较于其他同类型定位算法,能实现较高的定位精度,可为矿山复用型物联网移动节点的位置信息获取提供工程应用的理论方法支持。⑷提出了一种基于动态模糊认知图的跨层协作控制模型。针对矿山复用型物联网中无线自组织网络的各个协议层参数难以全局协作协调控制问题,基于动态模糊认知图方法建立网络中主要性能参数为概念节点的相关性矩阵,引入动态因子减小网络动态性对控制精度的影响,从全局跨层角度为复用型物联网的跨层协作控制构建了有效的控制模型。仿真实验结果表明:该模型可以实现网络的各个协议层参数和算法的信息共享,实现单一或若干网络性能的提高,从整体上提升网络性能,可为矿山复用型物联网的整体性能优化提供工程应用的理论方法支持。⑸研制实施了基于复用型物联网矿井安全生产智能监控系统。构建了由九个子系统（监控监测,通信联络,人员定位,压风自救,供水施救,紧急避险,电力监控,通风和排水）为一体的基于复用型物联网矿井安全生产智能监控系统,并在安徽张庄铁矿成功实施与应用。通过对实际工程系统的数据传输率、冲撞率、能耗以及跨层协作控制模型介入前后的性能测试实验与分析,结果表明:本文提出的方法可以有效的提高矿山复用型物联网的性能,可保证矿井全域多媒体信息的有效采集、可靠传输和实时监控,为实现矿山安全生产提供了有力的技术保障。

关键词：复用型物联网;矿井安全生产智能监控系统;GCDC-MAC协议;ORAGC路由协议;IMDS定位算法;跨层协作控制模型

学科专业：电气工程

致谢

摘要

abstract

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 国内外研究的现状

1.2.1 矿井安全生产智能监控系统的现状

1.2.2 矿井安全生产智能监控系统的MAC协议研究现状

1.2.3 矿井安全生产智能监控系统的路由协议研究现状

1.2.4 矿井安全生产智能监控系统的定位算法研究现状

1.2.5 矿井安全生产智能监控系统的跨层协作控制研究现状

1.3 课题的来源与研究主要内容

1.3.1 课题来源

1.3.2 论文研究的内容及创新点

第二章 复用型物联网的通信性能需求分析与设计

2.1 引言

2.2 需求分析

2.3 关键问题研究

2.3.1 系统的研究目标

2.3.2 关键问题研究

2.4 小结

第三章 复用型物联网的MAC协议研究

3.1 引言

3.2 GCDC-MAC协议研究

3.2.1 IEEE802.15.4 标准下的MAC层协议

3.2.2 GCDC-MAC协议研究

3.2.3 GCDC-MAC协议模型

3.2.4 GCDC-MAC协议的性能分析

3.3 GCDC-MAC协议的仿真实验

3.3.1 网络数据有效吞吐率仿真实验

3.3.2 网络信道冲撞率仿真实验

3.3.3 网络节点能耗仿真实验

3.4 小结

第四章 复用型物联网的ORAGC路由算法研究

4.1 引言

4.2 度约束最小生成树模型

4.2.1 度约束最小生成树的概念

4.2.2 度约束最小生成树的模型

4.2.3 度约束最小生成树算法

4.3 基于遗传算法的分簇机制

4.3.1 分簇机制概述

4.3.2 基于遗传算法的分簇机制的交叉与变异过程

4.3.3 基于遗传算法分簇机制的算法过程

4.4 分簇过程

4.4.1 正常工况下的分簇过程

4.4.2 故障状态下的分簇过程

4.5 算法的仿真实验

4.5.1 环境与参数设置

4.5.2 算法复杂度对比仿真实验

4.5.3 能耗仿真实验

4.5.4 能耗性能对比仿真实验

4.6 小结

第五章 复用型物联网的IMDS定位算法的研究

5.1 引言

5.2 基于卡尔曼的RSSI测距模型

5.2.1 RSSI模型

5.2.2 基于卡尔曼滤波的RSSI值估计

5.3 弹性粒子网络模型

5.4 距离矩阵的计算过程

5.5 多维尺度定位算法

5.6 实验与分析

5.6.1 实验参数

5.6.2 算法时间复杂度

5.6.3 拓扑结构正常的仿真环境

5.6.4 拓扑结构具有空洞的仿真环境

5.7 小结

第六章 复用型物联网跨层协作控制模型研究

6.1 引言

6.2 动态模糊认知图的相关理论概述

6.3 跨层协作控制模型结构

6.4 动态模糊认知图模型

6.4.1 态模糊认知图模型建立

6.4.2 动态模糊认知图模型关联矩阵的建立

6.4.3 动态模糊认知图模型跨层协作控制系统

6.5 实验与分析

6.6 小结

第七章 基于复用型物联网矿井安全生产智能监控系统的应用研究

7.1 引言

7.2 基于复用型物联网矿井安全生产智能监控系统总体设计

7.2.1 设计目标与功能

7.2.2 总体组成架构与部署

7.2.3 实验与结果分析

7.3 小结

第八章 总结与展望

8.1 论文工作的总结

8.2 论文工作的展望

参考文献