基于位置隱私保護(hù)的手機(jī)應(yīng)急報(bào)警系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)

潘洪志，芮坤坤，殷西祥

（安徽商貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 信息與人工智能學(xué)院，安徽 蕪湖 241002）

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)、科技以及文化的飛速發(fā)展，現(xiàn)代化城市的建設(shè)規(guī)模越來(lái)越龐大，城市管理日益復(fù)雜化，緊急突發(fā)性事件的種類(lèi)和數(shù)量增多，人們對(duì)于安全的需求越來(lái)越重視。同時(shí)伴隨著移動(dòng)手機(jī)的廣泛傳播，人們對(duì)移動(dòng)智能設(shè)備的依賴(lài)程度越來(lái)越高。移動(dòng)智能設(shè)備可以通過(guò)傳感器將人和物體的地理位置數(shù)據(jù)化[1-3]，例如，手機(jī)、PDA(Personal Digital Assistant,PDA)和車(chē)載系統(tǒng)之類(lèi)的智能移動(dòng)設(shè)備配備了GPS(Global Positioning System，GPS)、WiFi、陀 螺儀以及其他與設(shè)備位置有關(guān)的模塊，這些模塊可以隨時(shí)隨地獲取移動(dòng)用戶(hù)的位置信息[4]。但是，位置數(shù)據(jù)不僅直接包含用戶(hù)的私人信息，而且還隱含其他敏感信息。例如，通過(guò)數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)了解用戶(hù)的運(yùn)動(dòng)軌跡，然后可以推斷出用戶(hù)經(jīng)常訪問(wèn)的地理位置，從而泄露敏感信息[5]，例如用戶(hù)的工作地點(diǎn)或家庭住址。因此，不當(dāng)使用位置數(shù)據(jù)會(huì)嚴(yán)重威脅用戶(hù)的隱私。

隱私保護(hù)指的是當(dāng)用戶(hù)在使用位置服務(wù)時(shí)，通過(guò)某種技術(shù)手段，來(lái)確保用戶(hù)的位置信息不被泄露出去，從而保護(hù)用戶(hù)的位置隱私信息。姜海洋[6]等人通過(guò)分析已有的隱私保護(hù)技術(shù)，融合定位隱私保護(hù)方法，提出了一種適合5G 環(huán)境的隱私保護(hù)方法。李婕[7]等通過(guò)計(jì)算用戶(hù)移動(dòng)位置的概率向量，引入k-匿名和粒子群優(yōu)化算法進(jìn)行優(yōu)化，提高了算法的效率和服務(wù)質(zhì)量。張青云[8]等對(duì)LBS系統(tǒng)的位置軌跡隱私保護(hù)技術(shù)進(jìn)行了綜述，分類(lèi)介紹了扭曲技術(shù)，匿名技術(shù)，加密技術(shù)等的隱私保護(hù)算法。楊少杰[9]等融合博弈論和區(qū)塊鏈，改進(jìn)了常見(jiàn)的采用位置k-匿名技術(shù)保護(hù)用戶(hù)隱私安全方法。郭蕊[10]等通過(guò)改進(jìn)蟻群算法將傳統(tǒng)的WSN 源位置隱私保護(hù)中普遍存在的高延遲和高能耗問(wèn)題進(jìn)行了有效改善。

綜上所述，為保護(hù)使用本報(bào)警系用戶(hù)的隱私安全，我們?cè)讷@取用戶(hù)的地理位置信息的同時(shí)，采用一種高效的k-匿名隱私保護(hù)策略來(lái)確保用戶(hù)的隱私信息。我們通過(guò)動(dòng)態(tài)調(diào)整匿名組的規(guī)模來(lái)改變系統(tǒng)隱私保護(hù)的能力，確保系統(tǒng)在高效運(yùn)行的同時(shí)，保證用戶(hù)的安全。

1 基于k-匿名的位置隱私保護(hù)算法

利用k-匿名算法的特點(diǎn)，結(jié)合該算法，本節(jié)提出基于k-匿名的移動(dòng)位置隱私保護(hù)算法。k-匿名機(jī)制要求每一條記錄至少和其他k-1 條記錄在標(biāo)準(zhǔn)符QI 上一致。若將表T(d)做投影，則投影中任意一條數(shù)據(jù)至少出現(xiàn)k 次。相同的QI 可以構(gòu)成同一個(gè)匿名組。其中，描述一張數(shù)據(jù)表，簡(jiǎn)稱(chēng)為T(mén)(d),d為準(zhǔn)標(biāo)識(shí)符的個(gè)數(shù)，m 為敏感屬性的個(gè)數(shù)。

假設(shè)移動(dòng)用戶(hù)真實(shí)的地理位置信息為t,那么我們對(duì)每個(gè)匿名組包含k-1 條虛假的地理位置信息。對(duì)于匿名組的劃分上，匿名化數(shù)據(jù)集中包含的匿名組越多，匿名組的規(guī)模越小，數(shù)據(jù)集的可用性就越高。從而獲取隱私保護(hù)的能力就越強(qiáng)。為了提高數(shù)據(jù)集的數(shù)據(jù)質(zhì)量，降低名組規(guī)模的上界，利用取整劃分函數(shù)，方法是將匿名組中的包含虛假位置信息準(zhǔn)標(biāo)識(shí)符排序，使得標(biāo)識(shí)符的域構(gòu)成有序域，并將有序域中的元素映射到實(shí)數(shù)域中，將所有記錄看成是d 維空間中的點(diǎn)，找到一個(gè)中間值將點(diǎn)集分開(kāi)。表T(d)中的每一條記錄可以看成多維空間中的一個(gè)點(diǎn)，每個(gè)匿名組的規(guī)模就相當(dāng)于其所對(duì)應(yīng)的區(qū)域中包含記錄的總量。單維概化（SG）和多維概化（MG）所產(chǎn)生的匿名化數(shù)據(jù)最大匿名組的規(guī)模在最壞情況下是,匿名組的數(shù)量在最壞情況下是1。平均規(guī)模下的最壞情況也是。而對(duì)于局部編碼（LG），最大最壞匿名組規(guī)模上界不超過(guò)2k-1。匿名組的容量越大，收集的信息就越豐富，可用性就會(huì)降低，二數(shù)據(jù)集的平均匿名組規(guī)模越小，可用性就越高。如算法1 所示。

算法1

輸入：匿名組T(d),用戶(hù)所在區(qū)域X，隱私參數(shù)Amin，k

輸出：匿名區(qū)域ASR

b)H←Xn,Xm//將排序劃分后的結(jié)果入棧H內(nèi)

c)ASR←Xn,Xm//初始化

d)While(AREA(ASR)

e)E←pop(H)

f)ASR←ASR∪E//將符合條件的區(qū)域合并

g)End While

h)Return ASR上述算法中，對(duì)于給定系數(shù)k，臨時(shí)匿名組X 被劃分成1X和2X,其中，可以假設(shè)臨時(shí)匿名組X 在第i 維上的投影線段是共有y-x-1個(gè)Qi 對(duì)應(yīng)的實(shí)域序列元素。設(shè)置y-x-1個(gè)計(jì)數(shù)器，將Px 遍歷一遍，在根據(jù)每個(gè)上的投影值計(jì)數(shù)，遍歷完成后可以找到j(luò)的分界線，將Px 分割成兩個(gè)新的臨時(shí)分組，其中兩個(gè)臨時(shí)匿名組滿(mǎn)足,兩個(gè)點(diǎn)集中所有的點(diǎn)一個(gè)全部大于中間值，一個(gè)全部小于中間值,并在規(guī)模上。整個(gè)算法中，遍歷所需要的時(shí)間為O(n),表格T(d) 至多能夠被分成個(gè)多維區(qū)域，所以至多被劃分次，所以對(duì)于固定k,整個(gè)算法的時(shí)間開(kāi)銷(xiāo)是。通過(guò)整數(shù)劃分函數(shù)的k-匿名算法所產(chǎn)生的匿名組平均規(guī)模趨近于k（在T(d)足夠大的時(shí)候），其中當(dāng)T(d)≥2且k>3,其規(guī)模最壞情況是2k-1，當(dāng)T(d)≥2k2時(shí)，最壞情況為k+1。使用均衡二劃分，存在局部貪心策略，即局部公平不是全局公平（6 個(gè)點(diǎn)卻不能劃分成3 個(gè)2 匿名組，只能分成2 個(gè)3 匿名組）。

2 安卓手機(jī)應(yīng)急報(bào)警系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

基于安卓智能手機(jī)的應(yīng)急報(bào)警系統(tǒng)模塊主要有兩部分：客戶(hù)端系統(tǒng)功能模塊、服務(wù)端系統(tǒng)功能模塊。

2.1 服務(wù)端實(shí)現(xiàn)過(guò)程

服務(wù)端系統(tǒng)主要有四個(gè)部分組成：（a）監(jiān)聽(tīng)模塊。用來(lái)等待客戶(hù)端連接，監(jiān)聽(tīng)客戶(hù)端發(fā)送的信息，記錄客戶(hù)端手機(jī)開(kāi)啟次數(shù)、最后一次開(kāi)啟時(shí)間和接入時(shí)間。（b）監(jiān)測(cè)模塊。根據(jù)最后一次接入時(shí)間，監(jiān)測(cè)手機(jī)解鎖時(shí)間模塊，判斷是否第一次運(yùn)行該程序，然后判斷多久未收到消息，從而判斷是否發(fā)送提醒郵件。（c）系統(tǒng)定位模塊。根據(jù)每次客戶(hù)端發(fā)送的系統(tǒng)定位重新轉(zhuǎn)換成經(jīng)緯度，來(lái)確定用戶(hù)位置信息。（d）郵件發(fā)送模塊。當(dāng)監(jiān)測(cè)模塊發(fā)現(xiàn)異常后會(huì)調(diào)用郵件發(fā)送模塊發(fā)送郵件，郵件發(fā)送模塊會(huì)根據(jù)用戶(hù)設(shè)置的緊急聯(lián)系人的郵件發(fā)送已經(jīng)制定的緊急郵件，而且會(huì)連續(xù)發(fā)送多封郵件，提醒緊急聯(lián)系人。每個(gè)模塊的工作關(guān)系如圖1 所示。

圖1 服務(wù)端實(shí)現(xiàn)過(guò)程

2.2 客戶(hù)端實(shí)現(xiàn)過(guò)程

客戶(hù)端系統(tǒng)主要包括五個(gè)模塊：（a）DisplayMessageActivity 模塊。是用來(lái)顯示當(dāng)前軟件活動(dòng)模塊，給用戶(hù)直觀的顯示出當(dāng)前自己動(dòng)作的進(jìn)度，是否發(fā)送成功郵件，是否連接服務(wù)端信息等。（b）MainActivity 模塊是App 里的核心模塊，它連接著其他四個(gè)模塊，用于處理各個(gè)信息直接的發(fā)送與接收，各個(gè)模塊通過(guò)連接這個(gè)模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理。（c）MyBroadcastReceiver 模塊是接收模塊，其主要作用是接受來(lái)自服務(wù)端發(fā)送的數(shù)據(jù)，接收來(lái)自MainActivity 模塊的數(shù)據(jù)來(lái)給服務(wù)端發(fā)送數(shù)據(jù)。（d）ScreenListener 模塊是屏幕監(jiān)聽(tīng)模塊，主要功能就是監(jiān)聽(tīng)客戶(hù)端的手機(jī)信息反饋給MainActivity模塊，然后MainActivity 模塊判讀用戶(hù)是否需要進(jìn)行一些動(dòng)作來(lái)選擇是否發(fā)送緊急郵件。（e）SendMessage 模塊是發(fā)送數(shù)據(jù)給服務(wù)端模塊，主要功能是把手機(jī)的數(shù)據(jù)發(fā)送給服務(wù)端和連接服務(wù)端的功能。SendMessage 模塊等待MainActivity 模塊信息，如MainActivity模塊通知SendMessage模塊發(fā)送郵件，那么SendMessage模塊會(huì)把這個(gè)指令發(fā)送給服務(wù)端。每個(gè)模塊的工作關(guān)系如圖2 所示。

圖2 客戶(hù)端實(shí)現(xiàn)過(guò)程

2.3 運(yùn)行過(guò)程

當(dāng)服務(wù)端和客戶(hù)端都部署完畢時(shí)，每當(dāng)手機(jī)解鎖，服務(wù)端都會(huì)收到提示，包含經(jīng)緯度和客戶(hù)端解鎖的ip 地址，當(dāng)服務(wù)端超過(guò)24 小時(shí)未收到手機(jī)解鎖的消息時(shí)，服務(wù)端會(huì)進(jìn)入緊急救援模式，設(shè)定的緊急聯(lián)系人郵箱會(huì)收到預(yù)警郵件。用戶(hù)下載并打開(kāi)安卓客戶(hù)端，在首頁(yè)文本框內(nèi)輸入服務(wù)器的ip，點(diǎn)擊發(fā)送按鈕即代表啟動(dòng)成功，啟動(dòng)成功后，需給予所需權(quán)限，以確保該App 在后臺(tái)的留存率。上述配置完成后，可以嘗試將手機(jī)鎖屏再解鎖，觀察服務(wù)端輸出，若出現(xiàn)類(lèi)似如下輸出，則表示一切正常。

圖3 App 使用效果

3 總結(jié)

本文通過(guò)分析現(xiàn)在手機(jī)用戶(hù)群體的特點(diǎn)，結(jié)合K-匿名算法，在保護(hù)用戶(hù)位置隱私的同時(shí)，能夠保障用戶(hù)的人身安全。最后，設(shè)計(jì)了一個(gè)應(yīng)急報(bào)警系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠在緊急情況下，能夠給自己設(shè)置的緊急聯(lián)系人發(fā)送預(yù)警信息，包括用戶(hù)最后出現(xiàn)的地理位置，途經(jīng)路徑等信息，經(jīng)過(guò)測(cè)試，該系統(tǒng)能夠有效運(yùn)行在市面上大部分安卓手機(jī)。