基于蜂窝通信的突发事件预警短信靶向发布方案

高国弘 缑晓辉 马旭成 王淑丽

(1 中国气象局旱区特色农业气象灾害监测预警与风险管理重点实验室，银川 750002； 2 宁夏气象服务中心，银川 750002；3 中国移动通信集团宁夏有限公司，银川 750011)

引言

我国各类自然灾害频发，造成了重大经济损失，给人们的生活和生命安全带来了严重威胁[1]。为应对并减轻各类灾害的不利影响，由气象部门牵头，成立了国家、省、市、县各级预警信息发布中心(机构)，建设了国家突发公共事件预警信息发布系统，构建了预警信息发布体系，利用广播、电视、声讯电话、传真、网站、手机短信、大喇叭、电子显示屏、微博、微信、APP等多种手段向政府应急部门、企事业单位和社会公众发布灾害预警信息，提高了灾害应急防范能力,有效减少了灾害所带来的损失[2-5]。但另一方面，目前突发事件预警信息发布系统在发布预警信息时以群发或广播发布方式为主，发送的时效性、针对性不强，影响了发送的效率[6-7]。探索预警信息区域定位即“靶向”发送的技术，是一项亟待研究解决的创新性工作[8-10]。

就发布方式而言，移动端APP、微信小程序等方式由于可以实时获取用户位置，更易于实现“靶向”[11-13]，但受用户是否安装、是否开启应用及通知权限的影响，受众覆盖面有限。而传统电视、广播、报纸、网站等媒体，因为需要用户主动接收或搜索，不能及时获得预警信息。相反，短信方式由于具有传播上的主动性、便捷性，且几乎人人都有手机，处处都有无线通信信号，如能解决短信的靶向发布问题，在预警信息发布上将更有效。

目前，气象部门所建设的气象短信平台、突发事件短信平台，普遍存在以下局限性[14-15]，无法完全满足预警信息靶向发布的需要：①发送时效问题,受短信网关发送速率限制，气象手机短信一次大批量群发通常需要数小时，以此发送预警信息难以做到及时高效；②覆盖面问题,气象短信的订制用户一般只占全部手机用户的1%左右，气象部门无法得到移动运营商的全体用户号码，难以做到实际上的全网发布；③定位发布问题,现行的气象短信是依据用户订制市县信息发送的，这种粗略的位置信息难以代表用户当前的真实位置，且最小区域为一个县，无法满足向更小区域发送预警信息的需求。

功能机时代的手机有“小区广播”功能，可实现区域内各类资讯信息的选择性接收。深圳市气象局与移动公司曾合作利用该功能发送预警信息[16]。但由于此功能需要用户主动开启方能实现短信接收，在大力宣传推广后其小区广播开通率也只占全体手机用户的30%左右，智能手机中已无此功能；其他行业也尝试过自建相关设备直接向基站推送信息，实现广告短信的精准发布，此种方式常被伪基站用来发送骚扰和诈骗短信，目前技术上也已不可用。

综上，目前气象部门所掌握的短信发布系统，无法全面满足预警信息快速、精准发布的要求，还需要进一步研究，提出更好的解决方案，以充分发挥手机短信的优势。

1 总体方案设计

1.1 设计思路

宁夏气象部门早在2010年就提出了利用联通公司“边界提示音”系统定位发送预警短信的设想：实时获取移动蜂窝通信中各个基站上接入用户的手机号码，依次向处在预警区域内所有基站接入手机用户发布预警短信，从而实现基于移动通信系统，限时(小批量用户发送可规避短信发送速度问题)、定点(向特定区域内用户发送)、全覆盖(处在这些基站覆盖下的无论本地还是外地手机用户均可收到)发送各类预警信息的目的。实现该设想的技术关键，在于运营商必须具有可实时获取所有基站接入用户手机信息的用户数据分析平台，并为第三方提供数据接口。由于当时联通公司相关系统不具备第三方系统接入能力，未能实现这一设想[17-19]。

2019年初宁夏移动建成了“移动大数据平台”，具备了相应功能。2019年6月宁夏气象服务中心与宁夏移动大数据中心共同拟定了“宁夏大数据平台对接宁夏突发事件预警信息平台解决方案”，使该设想得以实施。

1.2 系统布局

系统由气象部门端和运营商端组成(图1)。由于手机号码等移动用户数据的敏感性，对移动通信运营商而言，此类数据是保密的。为保障数据的安全性，需要将“基站接入用户信息获取与短信发送”部分封闭在移动运营商内部。

图1 突发事件预警短信靶向发布系统布局

该系统气象部门端提供包含预警内容和地域范围的预警信息，通过互联网或网络专线向移动运营商推送，运营商端接收到推送信息后，依据预警地域范围定位基站，从相关基站中提取用户手机号码表，并交由短信网关向该区域内用户发送预警短信内容。

1.3 业务流程设计

通过气象部门端的突发事件预警信息发布系统与移动运营商数据平台的交互对接，实现预警短信的靶向发布与发布结果的回馈。以与中国移动大数据平台的对接为例，业务流程为：首先由各预警信息发布责任单位通过政务网登陆本省突发事件预警信息发布系统(下称“省突系统”)，编辑制作预警信息内容及发布区域，省突系统向中国移动大数据省公司应用平台(下称“移动大数据平台”)请求短信发送业务，并推送短信内容与发布区域数据；移动大数据平台实时获取移动通信基站接入用户数据，并依据预警地域范围筛选出目标用户，将目标用户手机号码表与预警短信内容一起提交给中国移动云MAS短信平台，由云MAS向预警区域内手机用户发送预警短信，发送完成后将成功用户数与失败用户数反馈给移动大数据平台，由移动大数据平台将数据汇总后反馈给省突系统，再由省突系统汇总各渠道发送数据，反馈给预警信息发送单位，完成一次预警短信靶向发布业务。具体业务流程见图2。

图2 突发事件预警短信靶向发布业务流程

2 技术解决方案

2.1 技术基础

(1)蜂窝移动通信与AGPS定位。蜂窝移动通信系统(Cellular Mobile Communication System)是一种移动通信硬件架构。由于构成系统的各通信基站的信号覆盖面呈六边形，从而使整个覆盖网络像一个蜂窝而得名，见图3。

图3 蜂窝移动通信原理示意

当用户手机进入某个蜂窝范围就会通过相应的基站接入移动通信网络，以便移动通信系统找到用户，为用户提供通信服务。因位于蜂窝中心的基站铁塔位置固定不变，根据用户此刻在铁塔上的注册信息，便可确定用户的大致位置。所谓的AGPS(Assisted Global Positioning System)辅助全球定位系统，就是利用地面移动通信基站配合GPS卫星，提供更快速定位的技术。一个蜂窝的半径在0.01～25 km，城市中密集乡村中稀疏，虽然这种定位方式相对于GPS要粗略，但在被移动信号覆盖的室内仍可定位，所以成为GPS的补充[17-18]。

(2)突发公共事件预警信息发布系统。依据国务院《“十一五”国家突发公共事件应急体系建设规划》，2011—2015年，依托中国气象局现有信息化基础设施和信息发布渠道，我国已经建成了覆盖1个国家级、31个省级、343个地市级的预警信息发布平台和2015个县级终端，形成上连国务院，横向连接部委、厅局，纵向到省、市、县，规范统一的预警信息发布体系，200多类预警信息能够在系统中进行实时的录入、审核、签发、传播与共享，实现面向各级政府领导、应急联动部门、应急责任人和社会媒体全覆盖，为有效应对各类突发事件、提升各级政府应急管理水平提供技术支撑[2-3]。全国各省级气象部门又建设了相应的省级突发公共事件预警信息发布系统(简称“省突系统”)，实现本省多灾种预警信息的采编和统一发布。

(3)中国移动大数据平台。为进一步提高互联网战略服务能力，对内驱动企业管理的精细化、智能化，对外提供信息服务型产品，实现大数据开放后的运营和服务提升，中国移动2016年底着手在全国范围内实施企业级大数据中心建设工作。已建成移动大数据平台的技术架构分为4层，分别为获取层、存储计算层、服务层与应用层，实现中国移动全部数据“统一采集、统一存储、统一管理、统一运营、统一服务”，可对外提供软件(SaaS)、平台(PaaS)、数据(DaaS)3种类型的大数据云服务，其功能结构见图4。2018年12月29日宁夏移动与西藏、天津一起正式入驻该集约化大数据平台[19-21]。

图4 中国移动大数据平台技术架构

2.2 业务需求

突发公共事件预警短信靶向发布业务，就移动运营商而言是一项“与外部行业合作，实时请求移动大数据应用服务的业务。”该业务的具体需求为：气象部门与中国移动相关业务平台实现系统级对接，宁夏气象局实时向宁夏移动推送预警短信内容及发布区域地理范围数据，移动运营商依据地理范围筛选出目标用户并向其发送预警短信，短信发送完成后向气象部门反馈发送结果，实现预警短信靶向发布业务的全流程自动化。

依据“数据不出局”原则，整个发送过程从物理层到应用层隔绝气象部门获取基站地理位置与用户手机号码数据。

2.3 系统对接技术方案

移动大数据平台具备实时接口服务，支持应用程序集成，具有良好的跨平台特性及开放性，可独立低耦合接收外部请求。宁夏移动为宁夏气象制定一套专门的预警信息接口协议并开发相应的接口软件，通过互联网公布给气象部门，再由气象部门依据接口协议开发预警信息推送软件，实现省突系统与移动大数据平台对接。

移动大数据平台提供的接口类型为Web Service(互联网服务)。省突系统使用SOAP(Simple Object Access Protocol,简易对象访问协议)协议通过HTTP调用向移动大数据省平台提出实时发送请求，即提交基于WSDL(Web Services Description Language，Web服务描述语言)文档生成的SOAP请求信息。该信息分为包含预警短信内容及发送区域经纬度数据的“业务请求接口”，与包含总用户数、发送成功用户数、失败用户数的“业务反馈接口”。

业务请求接口WSDL文档参考格式：

业务反馈接口WSDL文档参考格式：

2.4 预警区域与基站位置对应策略

突发事件预警信息发布系统提供有Web GIS界面，供相关业务人员在制作预警信息时圈定预警范围，此范围一般由表示一个闭合区域的多个经纬度数据描述。将该区域数据发送给移动大数据平台，检索其中所包含的移动通信基站技术上可行，但由于基站众多，该方法可能面临很大的计算量；同时依据突发事件预警系统中所遵循的国际通用警报协议(Common Alerting Protocol,CAP)，定义了多边形区域(polygon)、圆形区域(circle)、地理编码区域(geocode)多种区域描述方式[22]，也将提升软件处理的复杂度，从而造成较大的延时，对于争分夺秒的预警短信发布业务应尽可能避免。

为解决上述问题，可采用双方约定，将宁夏全区范围按5 km×5 km或更小网格编码，宁夏移动事先制作一张网格编码与基站编号的对照表。每次发送预警信息前，省突系统首先将经纬度表示的地理范围，反演成网格编码，再发送给移动大数据平台，该平台用地理编码直接从对照表中查询出基站信息，以不变应万变，可提高计算效率。

2.5 目标用户筛选

目标用户筛选——即从基站接入用户大数据中筛选出目标用户的数据。

由于移动公司GSM(2G)、TD(3G)、LTE(4G)无线通信系统建成于不同的时期，基站注册用户信息存在于不同的系统数据库中，为了便于后续的应用，需在数据预处理环节，从GSM、TD、LTE系统中的3张基站小区接口表中读取基站小区信息并汇总到1张表中，这张表中得到的就是宁夏所有移动基站某一时刻全部的接入用户数据。之后调用移动大数据平台大数据流处理功能，基于由预警区域反演出的基站数据检索提取目标用户数据，即预警区域内所有用户的手机号码。最后将目标用户手机号与预警内容合成为JSON(一种轻量级的数据交换格式)数据推送给移动云MAS短信平台，向目标用户发送预警短信，完成一个预警信息发送流程(图5)。

图5 目标用户筛与应用选流程

2.6 预警信息发布策略

(1)启动条件。突发事件预警短信靶向发布业务可实现预警信息精准、强制、快速投送，但此类非用户订制短信并不是多多益善。2018—2020年近3年宁夏发布的气象预警信息的统计结果(表1)表明，红色和橙色预警信息最多的2018年月均发布量也不足4次，且80%以上面向较小区域。为提高发送效率，减少非必要的自动推送短信对人们生活的干扰，本着“有用才发，发必有用”的理念，只有出现《中华人民共和国突发事件应对法》中所定义的一级(红色)、二级(橙色)必须实施人员避险的特别重大与重大灾害预警时，才启动该业务发送预警短信。

表1 2018年宁夏红橙色气象灾害预警信息统计

(2)预警短信全覆盖的实现。目前，全国突发公共事件预警短信业务码均为12379，但各省该短信码业务覆盖范围只限本省，也就是说只可以向本省手机用户发送短信。为了让进入预警区域内的外省手机用户也能收到短信，需向12379短信码归属部门——中国气象局申请拓展代码位数，如采用12379095表明用户所收到的短信是由宁夏预警中心发布的。

3 结论

本文设计的方案可以按照预警信号涉及的地域范围，将相关信息推送给该区域内所有移动用户，实现预警信息的精准靶向发布，有助于发挥灾害预警的有效性及针对性, 更好地发挥预警在防灾减灾或避免事件影响和损失方面的作用，从而更好地服务于政府和社会公众, 提高突发事件应急处置能力。

2020年8月，宁夏气象局和宁夏移动联合开展了预警短信靶向发布试验，采用人工传递预警信息方式，应用移动大数据平台+云MAS向预警区域内近30万用户发送预警短信，并在20 min内完成了全部发送任务，发送速率达1.5万条/min。据测算，若采用系统级对接方式，实现全流程自动化发送，预计可在10 min内完成同样业务。因此，该方案完全能够满足突发公共事件预警信息发送的时效和精准投送需求。

目前，宁夏气象服务中心与宁夏移动大数据中心已完成基于本方案的突发事件预警短信靶向发布业务技术可行性论证，提出了具体的项目实施方案，该方案也已被宁夏回族自治区政府有关建设项目采纳。