基于WiFi-藍(lán)牙探針數(shù)據(jù)的疫情密接鏈尋跡技術(shù)研究

鄭閔譚渝，胡興華，徐藝梅，張婷婷，陳興輝

（1.重慶市沙坪壩區(qū)公路養(yǎng)護(hù)中心，重慶 400000；2.重慶交通大學(xué)交通運(yùn)輸學(xué)院，重慶 400074）

傳染性疫情的發(fā)生會對經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展造成較大沖擊，2019 年12 月新冠疫情爆發(fā)以來，給各地社會經(jīng)濟(jì)運(yùn)行、群眾生產(chǎn)生活造成較大影響[1-3]。而當(dāng)前疫情密接尋找方法和流程通常是通信管理部門借助手機(jī)信令定位描繪病例14 天行動軌跡[4-5]，該方法仍舊存在受限于當(dāng)事人的記憶和口述、缺少精確的時間段統(tǒng)計、手機(jī)信令定位的精度有限[6-7]的痛點(diǎn)。

基于WiFi-藍(lán)牙探針技術(shù)在出行軌跡的提取以及軌跡重構(gòu)[8-11]、人群密集區(qū)域邊界識別[12-14]、特定區(qū)域的人流情況并定位[15-18]等方面已有探索，疫情防控中WiFi-藍(lán)牙探針數(shù)據(jù)的使用能優(yōu)化密接鏈人群尋找方法，可較大程度提高（次）密接人群識別尋跡的自動化、精準(zhǔn)化程度，但目前未開展研發(fā)利用。因此擬針對疫情下公共場所密接識別問題，利用WiFi-藍(lán)牙探針數(shù)據(jù)，開展基于WiFi-藍(lán)牙探針數(shù)據(jù)的疫情密接尋跡技術(shù)研究。

1 系統(tǒng)設(shè)計

1.1 設(shè)計原理

基于IEEE 802.11 協(xié)議的WiFi 探針是采用無線局域網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)對于開啟或連接WiFi 的設(shè)備進(jìn)行采集，采集原理：無線訪問接入點(diǎn)（Access Point,AP）會周期性地向四周發(fā)送信標(biāo)幀（Beacon），通知周圍的WiFi 設(shè)備如手機(jī)、筆記本電腦等；WiFi 設(shè)備也會周期地發(fā)送探測幀（Probe），其中包含該WiFi 設(shè)備的MAC 地址、信號強(qiáng)度以及時間戳等信息。當(dāng)AP檢測到WiFi 設(shè)備傳送的Beacon 幀，即記錄WiFi 設(shè)備傳送的信息。因此，在WiFi 探針區(qū)域內(nèi)打開或連接WiFi，則可收集WiFi 設(shè)備信息，且記錄生成數(shù)據(jù)文本，包括WiFi 設(shè)備MAC 地址和數(shù)據(jù)抓取的日期和時間等基礎(chǔ)信息。藍(lán)牙探針與WiFi 探針原理類似，具備集成使用條件。

一個設(shè)備有藍(lán)牙MAC 和WiFi MAC，其MAC 地址長度一般為48 位，每個制造商必須確保它所制造的每個設(shè)備都具有相同的前三個字節(jié)以及不同的后三個字節(jié)，保證每個設(shè)備MAC 地址具有唯一的標(biāo)識特性。

1.2 研究方法

WiFi-藍(lán)牙探針為數(shù)據(jù)采集設(shè)備實(shí)時抓取移動設(shè)備WiFi 與藍(lán)牙MAC 地址，將初步獲取的MAC 地址進(jìn)行數(shù)據(jù)過濾，從而存儲有效的MAC 地址至服務(wù)器，如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計原理圖

在醫(yī)院上報疫情確診患者的MAC 地址后，服務(wù)器標(biāo)記（次）密接人群移動終端設(shè)備MAC 地址；一方面為所有移動終端用戶提供密接自查服務(wù)，另一方面所設(shè)WiFi-藍(lán)牙探針識別到（次）密接人群移動終端設(shè)備MAC 地址時，由報警模塊發(fā)出警告，以保證公共場所的衛(wèi)生安全。

當(dāng)所述監(jiān)測區(qū)域或設(shè)備內(nèi)的MAC 地址全部消失后，存儲在先有效的MAC 地址；在所述監(jiān)測區(qū)域或設(shè)備內(nèi)的MAC 地址全部消失后，新的MAC 地址進(jìn)入監(jiān)測區(qū)域或設(shè)備內(nèi)后，按所述的密接人群識別方法重新開始執(zhí)行，且不覆蓋之前數(shù)據(jù)。在一些實(shí)例中，所述MAC 地址數(shù)據(jù)存儲有效期為14～30 天，超過30 天的數(shù)據(jù)可以清除或予以覆蓋。

2 數(shù)據(jù)處理

2.1 數(shù)據(jù)過濾

為保證收集監(jiān)測區(qū)域的MAC 地址有效設(shè)置了數(shù)據(jù)保留規(guī)則。

對于營運(yùn)車輛這類移動對象，行駛路線周邊的MAC 地址都可能被檢測獲取，這些MAC 地址是無用干擾數(shù)據(jù)，因此需要對初步獲取的MAC 地址進(jìn)行數(shù)據(jù)過濾，從而存儲有效的MAC 地址；同時為保證收集監(jiān)測區(qū)域或設(shè)備內(nèi)所有的MAC 地址存儲于服務(wù)器中設(shè)置數(shù)據(jù)保留規(guī)則（以較復(fù)雜的公交數(shù)據(jù)過濾為例）：

1）實(shí)時收集公交的WiFi-藍(lán)牙探針數(shù)據(jù)，將WiFi-藍(lán)牙探針數(shù)據(jù)存儲于服務(wù)器節(jié)點(diǎn)中，服務(wù)器節(jié)點(diǎn)對WiFi-藍(lán)牙探針數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計，在某一時刻t1，存儲的若干MAC 地址記為s1，如式（1）：

2）在(t1+Δt)（其中Δt不超過公交在任意兩個公交站之間的行程時間）時刻，在服務(wù)器中存儲的若干MAC 地址記為s2，如式（2）：

3）服務(wù)器對探針數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選過濾不符合MAC 地址，數(shù)據(jù)保留規(guī)則：MAC 地址在服務(wù)器中的次數(shù)達(dá)到設(shè)定閾值（2 次以上），且任意連續(xù)兩次出現(xiàn)的時間之差不超過2 h：取ni=s1?s2，則保留的MAC地址便記為ni；

4）公交進(jìn)站點(diǎn)前存儲過濾后的MAC 地址與獲取時間戳，匹配到相應(yīng)站點(diǎn)ID 號mi中，記為(mi,ni)；公交出站點(diǎn)后重新統(tǒng)計MAC 地址，不覆蓋之前數(shù)據(jù)。通過過濾完后的有效MAC 地址，再進(jìn)行站點(diǎn)ID匹配，從而精準(zhǔn)的確定密接人群。

網(wǎng)約車、出租車過濾規(guī)則與公交車類似，而超市、廣場等固定地點(diǎn)無需進(jìn)行過濾，可將探測獲得的數(shù)據(jù)全部存儲。

2.2 數(shù)據(jù)加密

基于MD5 消息摘要算法映射特性，可以實(shí)現(xiàn)以下目標(biāo)：

1）判斷傳輸?shù)臄?shù)據(jù)是原始的、未經(jīng)篡改的；

2）防止直接看到明文。數(shù)據(jù)庫存儲時可存儲MAC 地址對應(yīng)的MD5 值。這樣即使發(fā)生數(shù)據(jù)泄露，不法分子得到數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)的MD5 值，也無法知道真實(shí)的MAC 地址；

3）唯一標(biāo)識。服務(wù)器對獲取的每一個MAC 地址用MD5 算法產(chǎn)生摘要信息并做好記錄，產(chǎn)生對應(yīng)的“數(shù)字簽名”，防止設(shè)備持有人抵賴。

因此，擬采用MD5消息摘要算法進(jìn)行數(shù)據(jù)加密。

3 實(shí)證分析

3.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計

以城市公交車為實(shí)驗(yàn)場所，進(jìn)行基于WiFi-藍(lán)牙探針數(shù)據(jù)的疫情密接鏈尋跡技術(shù)研究。所提實(shí)驗(yàn)設(shè)計思路如圖2 所示。

圖2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計思路圖

在城市公交車內(nèi)頂部中心安裝WiFi-藍(lán)牙探針設(shè)備，實(shí)時采集乘客MAC 地址，經(jīng)上述過濾規(guī)則處理后存儲至服務(wù)器。當(dāng)出現(xiàn)確診患者時，面向所有移動終端用戶開放密接自查，并由中心處理器標(biāo)記密接乘客，若再次識別則觸發(fā)報警模塊。

實(shí)驗(yàn)對象為隨身攜帶移動端設(shè)備，設(shè)備信息如圖3所示。

圖3 實(shí)驗(yàn)設(shè)備MAC地址

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

按照實(shí)驗(yàn)設(shè)計，車載探針設(shè)備抓取數(shù)據(jù)如圖4-5所示，包含F(xiàn)rame 源MAC（移動設(shè)備MAC）、Frame 目的MAC（AP）、Frame 類別、信道、RSSI 信號強(qiáng)度（最小值為“-100”，值越大表示發(fā)射設(shè)備離探針越近）以及時間戳、目的MAC 地址。圖5 所示為抓取數(shù)據(jù)經(jīng)處理獲取的結(jié)構(gòu)化表格數(shù)據(jù)。

圖中，除了標(biāo)記的實(shí)驗(yàn)設(shè)備MAC 地址，還存在探針抓取的無效數(shù)據(jù)，使用2.1 節(jié)所述的過濾規(guī)則，獲取最終數(shù)據(jù)。如圖6 所示，最右側(cè)一列為經(jīng)2.2 節(jié)數(shù)據(jù)加密方法獲得的源MAC 哈希值。

若出現(xiàn)確診患者，在上報患者M(jìn)AC 地址后基于Pthon 語言設(shè)計了查找目標(biāo)MAC 程序，可快速查找出對應(yīng)的目標(biāo)MAC 地址和時間戳。

圖4 探針抓取數(shù)據(jù)

圖5 數(shù)據(jù)表格化

圖6 有效數(shù)據(jù)集

輸出結(jié)果如下:

3.3 優(yōu)勢與微創(chuàng)新點(diǎn)

基于以上實(shí)驗(yàn)分析，該系統(tǒng)具有五個優(yōu)勢與三個微創(chuàng)新點(diǎn)。

優(yōu)勢：1）隱私性：在保障個人隱私的前提下采集非敏感信息MAC 地址，用于識別用戶行為，避免了傳統(tǒng)手機(jī)信令數(shù)據(jù)的敏感性缺陷；2）真實(shí)性：通過識別與確診者的密接行為，匹配密接者的手機(jī)MAC 地址，確定密接者數(shù)量和具體特征；3）及時性：通過識別MAC 地址發(fā)出警報，識別具體密接者及次密接者，阻止其再次出行并建議其進(jìn)行醫(yī)學(xué)檢測；4）靈活性：探針系統(tǒng)識別數(shù)量可調(diào)整，當(dāng)超過閾值后，系統(tǒng)報警提示以免疫情傳播；5）大樣本性：移動終端基本均具備WiFi 和藍(lán)牙功能，可為該系統(tǒng)的應(yīng)用提供大樣本空間，提升識別的精確度。

微創(chuàng)新點(diǎn)：1）密閉空間潛在疫情傳播鏈精準(zhǔn)自動化識別管理創(chuàng)新?；诿荛]空間移動終端用戶設(shè)備的MAC 地址，采用探針技術(shù)對密接人群進(jìn)行自動化識別，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的自動采集、自動匹配和自動預(yù)警等功能，不僅可識別密接人群，更可實(shí)現(xiàn)自動化尋跡，甚至為多級傳播鏈的識別提供了自動化手段，識別結(jié)果更加精確，檢測效率更加高效，可為疫情防控提供有力支撐。2）低成本高可靠度的移動終端大數(shù)據(jù)應(yīng)用創(chuàng)新。該系統(tǒng)通過與移動終端大數(shù)據(jù)技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了對密接人群的高效精準(zhǔn)識別。在識別過程中，不受天氣等異常環(huán)境的影響，且系統(tǒng)的成本費(fèi)用較低，具有較好的推廣應(yīng)用價值。3）隱私保護(hù)下的交通物聯(lián)網(wǎng)尋跡技術(shù)創(chuàng)新。從疫情安全角度出發(fā)、基于交通物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，定位目標(biāo)在公共場所中的蹤跡以及接觸人群。僅針對用戶進(jìn)出記錄進(jìn)行統(tǒng)計，數(shù)據(jù)僅存留一定期限，數(shù)據(jù)安全符合GB/T 22239-2019 信息安全技術(shù)網(wǎng)絡(luò)安全等級保護(hù)基本要求的二級要求，既保護(hù)了個人隱私，同時也實(shí)現(xiàn)了對密接人群軌跡的動態(tài)監(jiān)測。

4 結(jié)束語

通過在營運(yùn)車輛、站臺、室外廣場、超市等公共場所等車輛內(nèi)安裝WiFi-藍(lán)牙探針，并實(shí)時獲取移動終端設(shè)備MAC 地址，經(jīng)WiFi-藍(lán)牙探針數(shù)據(jù)獲取及篩選、患者確診后尋找（次）密接鏈、（次）密接人群再次識別警報等步驟實(shí)現(xiàn)對密接人群動態(tài)監(jiān)測，優(yōu)化了疫情防控中的（次）密接鏈尋找方法，高效精準(zhǔn)的識別（次）密接鏈，從而盡快確定目標(biāo)群體。此外，可進(jìn)一步通過設(shè)置WiFi-藍(lán)牙探針檢測閾值，實(shí)時監(jiān)測密閉場所人數(shù)，從而滿足疫情防控要求下的人數(shù)限制。由于該項(xiàng)技術(shù)需要用戶開啟手機(jī)WiFi 或藍(lán)牙，而對于未開啟手機(jī)WiFi 和藍(lán)牙的用戶便不能采集其信息。因此，該系統(tǒng)在數(shù)據(jù)獲取方面存在一定的不足之處，考慮采用多源數(shù)據(jù)融合的方式進(jìn)一步提高識別的精準(zhǔn)程度。