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摘要：矿井建设工程施工环境复杂，建成一套适用于矿建工程人员的安全监测监控系统，对煤矿安全十分重要。Ad hoc网络又称为自组织网络（MANET），是由不同的移动终端或者无线节点组合形成的，不同于固定的基础设施，自组织、自创造和自管理的网络。本文简单介绍Ad hoc网络的起源、组网特点，以及它在矿建人员安全监控中的应用优点。
关键词：Ad hoc网络 矿建安全 人员监控
0 引言
Ad hoc网络是由许多移动终端或者带有收发器的无线节点相互协作形成的一种新型网络，它不依托固定的基础设施，采用分布式管理技术，可以做到快速配置和自组织网络[1]。Ad hoc网络技术不是一种新技术，最初起源于美国的军用无线网络，近年来，由于其自组网灵活、低速率、低功耗、低成本等特点，已逐渐进入商用和民用领域。然后这种先进的组网技术基本没有应用在复杂的矿建工程环境中，本文基于矿建作业的特殊条件，简单讨论了Ad hoc网络技术在此类特殊环境下的理论应用。
1 矿建环境的安全需求
我国是个煤矿资源十分丰富的国家，煤矿近3万多个，其中大中型煤矿500多个，小煤矿2万多个，井下工作人员超过100万人，煤矿事故死亡人数是世界上其它主要采煤国家死亡人数的4倍多。但由于矿建人员经常在煤矿井下从事生产作业工作，特殊的工作环境和复杂的地质条件往往容易发生透水、冒烟、爆炸等重大事故。煤矿安全生产事关工人企业财产和安全，虽然我国各级政府和煤炭管理部门一贯高度重视煤矿安全生产问题，但由于安全和管理技术薄弱等原因，重大事故时有发生[2]。
将近期国内几个重大煤矿事故分析后，可以发现几个共性：①地面人员与井下人员信息沟通不畅；②地面人员无法对井下人员进行精确定位，及时掌握井下人员分布；③抢险救灾、搜救效率低下。面对严峻现实，不断加强煤矿安全，减少人员伤亡和灾害损失，具有十分重要的意义。
2 基于Ad hoc技术矿建井下人员监控系统的建立
2.1 Ad hoc网络的结构和特点
常见的拓扑结构包含线型、环型、星型、树型和不规则型等，而Ad hoc和以上五种拓扑结构不同，其节点通常是对等的、可以自由移动的，网络中每个节点的广播范围都是有限的，当信源节点向比较远的目标节点通信时，需要借助于中间节点进行跳转，下图是一个Ad hoc网络通信的图例。Ad hoc网络结构一般分为三种：平面结构、区域结构、分级结构[3]。
2.2 系统组网结构的选择
依照井下复杂的环境，人员监控系统采取图2所示的这种区域结构。这种组网方式以平面结构中的某个节点作为中心，把网络分成若干个对等的不同区域，每个区域相当于一个分组，组内由若干簇成员和一个簇头组成。区域内，由簇头节点负责组内数据的转发，它可以预先指定不同的路由机制，也可以由算法选举产生。区域间，由网关节点负责通信数据的传递。
而蔟头、蔟成员、网关均有Ad hoc网络设备担任，目前成熟的Ad hoc网络设备的体积小、功耗低，采用电池供电，可以长期续航。主要设备可以分为两类，一类安放在井下作业人员工作服内，可以随意的在井下移动；另一类安放在井下主要巷道的墙壁内，担任固定路由节点的功能。固定设备节点可采取电缆供电，确保可以长期工作。
2.3 监控管理中心的功能
监控管理中心设置在地面，需要配置相应的硬件设备，包括计算机终端、路由器、服务器等硬件网络终端和软件平台。其主要功能是收集井下Ad hoc设备节点发送过来的数据，并通过图形化的数据显示方式向地面工作人员显示各个设备所处的地理位置，方便及时了解井下工作人员的位置，并定量定性的对安全状况作出评估。
监控管理中心具有以下功能特点：①管理软件采用B/S访问模式，实现远程浏览、监控、设置；②图形化的界面，实施监控、数据记录、报警、历史数据查询等功能；③采用图形和数据结合的模式显示所有采集的数据资料；④对已搜集的数据进行分析，可对异常情况进行报警提醒；⑤具有手动操作模式，可以远程分配各Ad hoc节点的工作模式，提升或者降低某个节点的权限和优先级。网络设备组网图如下图所示：
2.4 Ad hoc网络节点自组网算法
①每一个人员携带的具有Ad hoc功能的设备进入矿建环境前，都需要向一个可信任的CA发起注册（地面监控中心），并且获得了一个唯一的数字证书，可采取员工工号的散列值作为唯一标识。
②节点标识：假设整个Ad hoc组网环境中，共有n个节点（人员），用i来表示节点号，i=1，2，…，n。
③数字证书标识：每个人员均获得一个数字证书，记为Certi，其中i为节点号。
④权值：每个节点在系统建立初期都会分配一个权值Wi，且0≤Wi≤1，权值代表节点的信任程度，权值越大的节点越可信，它所指控的其它节点也就更有效力。i节点T时刻的权值用Wi(T)表示，在系统运行时是自动变化的。
⑤矿建人员井下作业的位置监控是通过节点证书更新来实现的，所有节点更新一次，既新的组网结构刷新一次，人员信息成功搜集一次。证书的更新都是按时间段来执行的，假设T=0时网络开始运作，用T=0，1，2，3，…表示连续的时间片段，证书只能在时间片段结束时上才会更新。
⑥井下人员的离开、进入、移动等行为会引起网络节点的变动，而人员离开这一区域后，整个组网结构将被改变，其它节点需要对其证书进行撤销操作。网络中的所有节点都与邻近节点保持联系，如节点i发现节点j行为异常，则在下一时刻对节点j的证书Certj颁发撤销操作。其消息格式为：(Certi→Certj，T，S)，其中T表示发生时间，S 表示节点i对本次操作进行私钥签名。
一个节点发起撤销操作不能立刻执行，需要多个节点的共同作用力来决定。为增加或减少多个节点的共同作用力，尝试加入一个“参数α”(0<α<1)，将每个节点权值与α乘积，累加之后作为异常节点受到的最终撤销力。因此，节点权值随时间变化的迭代公式为： Wi(T)=1-α■Wj(T-1) （1）
此外，由于权值的节点更加可信，可以尝试再加入了一个“参数γ”，这个参数相当于节点的广播半径。当一个节点发现另外一个节点行为异常时，对其进行撤销操作的同时，向周围一定范围内的所有节点进行广播告知，通过比较选择权值最大的节点继续监视。算法如下：
①当某个节点发现临近j节点异常时，根据公式计算权值Wj(T)。
②判断权值的大小，如果Wj(T)≤0，则跳过第③④步，直接跳转到第⑤步，如果Wj(T)>0，则运行下一步。
③将参数γ自加，即γ++，在半径为γ++的圆周内寻找权值最大的节点，该节点从下一时刻时开始监视异常节点j；如果找寻不到，则仍为原节点。
④如果持续发现节点j异常，则转到第②步循环执行；如果在后续时间内没有发现节点j存在异常行为，则撤销对j的监视状态，跳出整个循环。
⑤撤销j节点的证书Certi。
⑥刷新组网结构。
3 算法安全性和可行性分析
3.1 “参数γ”主要是为了防止多个节点的串通。要使一个正常的节点证书失效，最少需要串通1/α(取上限整数)个权值为1的节点对其发出撤销操作，如果串通的节点权值小于1时，将需要串通更多的节点。参数α的大小要根据实际环境提前设定，在安全性要求比较高的作业环境下，α值要设置的大一些，这样只需较少的节点指控就可以完成证书撤销；而在安全性要求较低的作业环境中，建议把α值设置的小一些，这样就需要很多节点共同指控才能撤销其它节点，增加系统的冗余性，减少了节点被误判撤销的百分比。
3.2 “参数γ”主要是利用单个节点高权值高可信的特点，把撤销工作分散到权值较高的节点上。其中参数γ的大小也是系统建立时就确定的，需要根据不同的网络环境设置γ的大小，当节点位置比较分散时，比如灾后搜救、山区救援等，可以把γ的值设置高一些，这样才有可能搜索到有效的邻近节点；而节点位置相对集中时，γ可以设定为较小的值，减少搜索比较的时间。
4 结束语
本文针对矿建工作的复杂环境，并结合Ad hoc先进的组网方式，设计矿建井下作业人员监控的组网结构选择、监控中心功能、组网更新算法等做了简要概述。在实际应用中，需要根据矿建环境的实际情况选择不同的α、γ值，以适应不同的施工或者搜救环境。但真正可以将Ad hoc应用到实际的矿建环境中，必须需要Ad hoc设备商、系统集成商、软件开发商等厂商通力配合，在各方商业合作模式尚未成熟的背景下，Ad hoc网络在矿建安全方面的应用仍相当漫长。
参考文献：
[1]A.Shamir.Identity-based Cryptosystems and Signatures Schemes.CRYPTO 1984，LNCS 196，pp.47-53.
[2]孙继平，煤矿自动化与信息技术回顾与展望[J].工矿自动化，2010，6(6):26-30.
[3]王育民，刘建伟.通讯网络的安全理论与技术[M].西安电子科技大学出版社，1999.
关键词：Ad hoc网络 矿建安全 人员监控
0 引言
Ad hoc网络是由许多移动终端或者带有收发器的无线节点相互协作形成的一种新型网络，它不依托固定的基础设施，采用分布式管理技术，可以做到快速配置和自组织网络[1]。Ad hoc网络技术不是一种新技术，最初起源于美国的军用无线网络，近年来，由于其自组网灵活、低速率、低功耗、低成本等特点，已逐渐进入商用和民用领域。然后这种先进的组网技术基本没有应用在复杂的矿建工程环境中，本文基于矿建作业的特殊条件，简单讨论了Ad hoc网络技术在此类特殊环境下的理论应用。
1 矿建环境的安全需求
我国是个煤矿资源十分丰富的国家，煤矿近3万多个，其中大中型煤矿500多个，小煤矿2万多个，井下工作人员超过100万人，煤矿事故死亡人数是世界上其它主要采煤国家死亡人数的4倍多。但由于矿建人员经常在煤矿井下从事生产作业工作，特殊的工作环境和复杂的地质条件往往容易发生透水、冒烟、爆炸等重大事故。煤矿安全生产事关工人企业财产和安全，虽然我国各级政府和煤炭管理部门一贯高度重视煤矿安全生产问题，但由于安全和管理技术薄弱等原因，重大事故时有发生[2]。
将近期国内几个重大煤矿事故分析后，可以发现几个共性：①地面人员与井下人员信息沟通不畅；②地面人员无法对井下人员进行精确定位，及时掌握井下人员分布；③抢险救灾、搜救效率低下。面对严峻现实，不断加强煤矿安全，减少人员伤亡和灾害损失，具有十分重要的意义。
2 基于Ad hoc技术矿建井下人员监控系统的建立
2.1 Ad hoc网络的结构和特点
常见的拓扑结构包含线型、环型、星型、树型和不规则型等，而Ad hoc和以上五种拓扑结构不同，其节点通常是对等的、可以自由移动的，网络中每个节点的广播范围都是有限的，当信源节点向比较远的目标节点通信时，需要借助于中间节点进行跳转，下图是一个Ad hoc网络通信的图例。Ad hoc网络结构一般分为三种：平面结构、区域结构、分级结构[3]。
2.2 系统组网结构的选择
依照井下复杂的环境，人员监控系统采取图2所示的这种区域结构。这种组网方式以平面结构中的某个节点作为中心，把网络分成若干个对等的不同区域，每个区域相当于一个分组，组内由若干簇成员和一个簇头组成。区域内，由簇头节点负责组内数据的转发，它可以预先指定不同的路由机制，也可以由算法选举产生。区域间，由网关节点负责通信数据的传递。
而蔟头、蔟成员、网关均有Ad hoc网络设备担任，目前成熟的Ad hoc网络设备的体积小、功耗低，采用电池供电，可以长期续航。主要设备可以分为两类，一类安放在井下作业人员工作服内，可以随意的在井下移动；另一类安放在井下主要巷道的墙壁内，担任固定路由节点的功能。固定设备节点可采取电缆供电，确保可以长期工作。
2.3 监控管理中心的功能
监控管理中心设置在地面，需要配置相应的硬件设备，包括计算机终端、路由器、服务器等硬件网络终端和软件平台。其主要功能是收集井下Ad hoc设备节点发送过来的数据，并通过图形化的数据显示方式向地面工作人员显示各个设备所处的地理位置，方便及时了解井下工作人员的位置，并定量定性的对安全状况作出评估。
监控管理中心具有以下功能特点：①管理软件采用B/S访问模式，实现远程浏览、监控、设置；②图形化的界面，实施监控、数据记录、报警、历史数据查询等功能；③采用图形和数据结合的模式显示所有采集的数据资料；④对已搜集的数据进行分析，可对异常情况进行报警提醒；⑤具有手动操作模式，可以远程分配各Ad hoc节点的工作模式，提升或者降低某个节点的权限和优先级。网络设备组网图如下图所示：
2.4 Ad hoc网络节点自组网算法
①每一个人员携带的具有Ad hoc功能的设备进入矿建环境前，都需要向一个可信任的CA发起注册（地面监控中心），并且获得了一个唯一的数字证书，可采取员工工号的散列值作为唯一标识。
②节点标识：假设整个Ad hoc组网环境中，共有n个节点（人员），用i来表示节点号，i=1，2，…，n。
③数字证书标识：每个人员均获得一个数字证书，记为Certi，其中i为节点号。
④权值：每个节点在系统建立初期都会分配一个权值Wi，且0≤Wi≤1，权值代表节点的信任程度，权值越大的节点越可信，它所指控的其它节点也就更有效力。i节点T时刻的权值用Wi(T)表示，在系统运行时是自动变化的。
⑤矿建人员井下作业的位置监控是通过节点证书更新来实现的，所有节点更新一次，既新的组网结构刷新一次，人员信息成功搜集一次。证书的更新都是按时间段来执行的，假设T=0时网络开始运作，用T=0，1，2，3，…表示连续的时间片段，证书只能在时间片段结束时上才会更新。
⑥井下人员的离开、进入、移动等行为会引起网络节点的变动，而人员离开这一区域后，整个组网结构将被改变，其它节点需要对其证书进行撤销操作。网络中的所有节点都与邻近节点保持联系，如节点i发现节点j行为异常，则在下一时刻对节点j的证书Certj颁发撤销操作。其消息格式为：(Certi→Certj，T，S)，其中T表示发生时间，S 表示节点i对本次操作进行私钥签名。
一个节点发起撤销操作不能立刻执行，需要多个节点的共同作用力来决定。为增加或减少多个节点的共同作用力，尝试加入一个“参数α”(0<α<1)，将每个节点权值与α乘积，累加之后作为异常节点受到的最终撤销力。因此，节点权值随时间变化的迭代公式为： Wi(T)=1-α■Wj(T-1) （1）
此外，由于权值的节点更加可信，可以尝试再加入了一个“参数γ”，这个参数相当于节点的广播半径。当一个节点发现另外一个节点行为异常时，对其进行撤销操作的同时，向周围一定范围内的所有节点进行广播告知，通过比较选择权值最大的节点继续监视。算法如下：
①当某个节点发现临近j节点异常时，根据公式计算权值Wj(T)。
②判断权值的大小，如果Wj(T)≤0，则跳过第③④步，直接跳转到第⑤步，如果Wj(T)>0，则运行下一步。
③将参数γ自加，即γ++，在半径为γ++的圆周内寻找权值最大的节点，该节点从下一时刻时开始监视异常节点j；如果找寻不到，则仍为原节点。
④如果持续发现节点j异常，则转到第②步循环执行；如果在后续时间内没有发现节点j存在异常行为，则撤销对j的监视状态，跳出整个循环。
⑤撤销j节点的证书Certi。
⑥刷新组网结构。
3 算法安全性和可行性分析
3.1 “参数γ”主要是为了防止多个节点的串通。要使一个正常的节点证书失效，最少需要串通1/α(取上限整数)个权值为1的节点对其发出撤销操作，如果串通的节点权值小于1时，将需要串通更多的节点。参数α的大小要根据实际环境提前设定，在安全性要求比较高的作业环境下，α值要设置的大一些，这样只需较少的节点指控就可以完成证书撤销；而在安全性要求较低的作业环境中，建议把α值设置的小一些，这样就需要很多节点共同指控才能撤销其它节点，增加系统的冗余性，减少了节点被误判撤销的百分比。
3.2 “参数γ”主要是利用单个节点高权值高可信的特点，把撤销工作分散到权值较高的节点上。其中参数γ的大小也是系统建立时就确定的，需要根据不同的网络环境设置γ的大小，当节点位置比较分散时，比如灾后搜救、山区救援等，可以把γ的值设置高一些，这样才有可能搜索到有效的邻近节点；而节点位置相对集中时，γ可以设定为较小的值，减少搜索比较的时间。
4 结束语
本文针对矿建工作的复杂环境，并结合Ad hoc先进的组网方式，设计矿建井下作业人员监控的组网结构选择、监控中心功能、组网更新算法等做了简要概述。在实际应用中，需要根据矿建环境的实际情况选择不同的α、γ值，以适应不同的施工或者搜救环境。但真正可以将Ad hoc应用到实际的矿建环境中，必须需要Ad hoc设备商、系统集成商、软件开发商等厂商通力配合，在各方商业合作模式尚未成熟的背景下，Ad hoc网络在矿建安全方面的应用仍相当漫长。
参考文献：
[1]A.Shamir.Identity-based Cryptosystems and Signatures Schemes.CRYPTO 1984，LNCS 196，pp.47-53.
[2]孙继平，煤矿自动化与信息技术回顾与展望[J].工矿自动化，2010，6(6):26-30.
[3]王育民，刘建伟.通讯网络的安全理论与技术[M].西安电子科技大学出版社，1999.