基于WiFi-蓝牙探针数据的疫情密接链寻迹技术研究

郑闵谭渝，胡兴华，徐艺梅，张婷婷，陈兴辉

（1.重庆市沙坪坝区公路养护中心，重庆 400000；2.重庆交通大学交通运输学院，重庆 400074）

传染性疫情的发生会对经济社会发展造成较大冲击，2019 年12 月新冠疫情爆发以来，给各地社会经济运行、群众生产生活造成较大影响[1-3]。而当前疫情密接寻找方法和流程通常是通信管理部门借助手机信令定位描绘病例14 天行动轨迹[4-5]，该方法仍旧存在受限于当事人的记忆和口述、缺少精确的时间段统计、手机信令定位的精度有限[6-7]的痛点。

基于WiFi-蓝牙探针技术在出行轨迹的提取以及轨迹重构[8-11]、人群密集区域边界识别[12-14]、特定区域的人流情况并定位[15-18]等方面已有探索，疫情防控中WiFi-蓝牙探针数据的使用能优化密接链人群寻找方法，可较大程度提高（次）密接人群识别寻迹的自动化、精准化程度，但目前未开展研发利用。因此拟针对疫情下公共场所密接识别问题，利用WiFi-蓝牙探针数据，开展基于WiFi-蓝牙探针数据的疫情密接寻迹技术研究。

1 系统设计

1.1 设计原理

基于IEEE 802.11 协议的WiFi 探针是采用无线局域网技术实现对于开启或连接WiFi 的设备进行采集，采集原理：无线访问接入点（Access Point,AP）会周期性地向四周发送信标帧（Beacon），通知周围的WiFi 设备如手机、笔记本电脑等；WiFi 设备也会周期地发送探测帧（Probe），其中包含该WiFi 设备的MAC 地址、信号强度以及时间戳等信息。当AP检测到WiFi 设备传送的Beacon 帧，即记录WiFi 设备传送的信息。因此，在WiFi 探针区域内打开或连接WiFi，则可收集WiFi 设备信息，且记录生成数据文本，包括WiFi 设备MAC 地址和数据抓取的日期和时间等基础信息。蓝牙探针与WiFi 探针原理类似，具备集成使用条件。

一个设备有蓝牙MAC 和WiFi MAC，其MAC 地址长度一般为48 位，每个制造商必须确保它所制造的每个设备都具有相同的前三个字节以及不同的后三个字节，保证每个设备MAC 地址具有唯一的标识特性。

1.2 研究方法

WiFi-蓝牙探针为数据采集设备实时抓取移动设备WiFi 与蓝牙MAC 地址，将初步获取的MAC 地址进行数据过滤，从而存储有效的MAC 地址至服务器，如图1 所示。

图1 系统设计原理图

在医院上报疫情确诊患者的MAC 地址后，服务器标记（次）密接人群移动终端设备MAC 地址；一方面为所有移动终端用户提供密接自查服务，另一方面所设WiFi-蓝牙探针识别到（次）密接人群移动终端设备MAC 地址时，由报警模块发出警告，以保证公共场所的卫生安全。

当所述监测区域或设备内的MAC 地址全部消失后，存储在先有效的MAC 地址；在所述监测区域或设备内的MAC 地址全部消失后，新的MAC 地址进入监测区域或设备内后，按所述的密接人群识别方法重新开始执行，且不覆盖之前数据。在一些实例中，所述MAC 地址数据存储有效期为14～30 天，超过30 天的数据可以清除或予以覆盖。

2 数据处理

2.1 数据过滤

为保证收集监测区域的MAC 地址有效设置了数据保留规则。

对于营运车辆这类移动对象，行驶路线周边的MAC 地址都可能被检测获取，这些MAC 地址是无用干扰数据，因此需要对初步获取的MAC 地址进行数据过滤，从而存储有效的MAC 地址；同时为保证收集监测区域或设备内所有的MAC 地址存储于服务器中设置数据保留规则（以较复杂的公交数据过滤为例）：

1）实时收集公交的WiFi-蓝牙探针数据，将WiFi-蓝牙探针数据存储于服务器节点中，服务器节点对WiFi-蓝牙探针数据进行统计，在某一时刻t1，存储的若干MAC 地址记为s1，如式（1）：

2）在(t1+Δt)（其中Δt不超过公交在任意两个公交站之间的行程时间）时刻，在服务器中存储的若干MAC 地址记为s2，如式（2）：

3）服务器对探针数据进行筛选过滤不符合MAC 地址，数据保留规则：MAC 地址在服务器中的次数达到设定阈值（2 次以上），且任意连续两次出现的时间之差不超过2 h：取ni=s1⋂s2，则保留的MAC地址便记为ni；

4）公交进站点前存储过滤后的MAC 地址与获取时间戳，匹配到相应站点ID 号mi中，记为(mi,ni)；公交出站点后重新统计MAC 地址，不覆盖之前数据。通过过滤完后的有效MAC 地址，再进行站点ID匹配，从而精准的确定密接人群。

网约车、出租车过滤规则与公交车类似，而超市、广场等固定地点无需进行过滤，可将探测获得的数据全部存储。

2.2 数据加密

基于MD5 消息摘要算法映射特性，可以实现以下目标：

1）判断传输的数据是原始的、未经篡改的；

2）防止直接看到明文。数据库存储时可存储MAC 地址对应的MD5 值。这样即使发生数据泄露，不法分子得到数据库的数据的MD5 值，也无法知道真实的MAC 地址；

3）唯一标识。服务器对获取的每一个MAC 地址用MD5 算法产生摘要信息并做好记录，产生对应的“数字签名”，防止设备持有人抵赖。

因此，拟采用MD5消息摘要算法进行数据加密。

3 实证分析

3.1 实验设计

以城市公交车为实验场所，进行基于WiFi-蓝牙探针数据的疫情密接链寻迹技术研究。所提实验设计思路如图2 所示。

图2 实验设计思路图

在城市公交车内顶部中心安装WiFi-蓝牙探针设备，实时采集乘客MAC 地址，经上述过滤规则处理后存储至服务器。当出现确诊患者时，面向所有移动终端用户开放密接自查，并由中心处理器标记密接乘客，若再次识别则触发报警模块。

实验对象为随身携带移动端设备，设备信息如图3所示。

图3 实验设备MAC地址

3.2 实验结果

按照实验设计，车载探针设备抓取数据如图4-5所示，包含Frame 源MAC（移动设备MAC）、Frame 目的MAC（AP）、Frame 类别、信道、RSSI 信号强度（最小值为“-100”，值越大表示发射设备离探针越近）以及时间戳、目的MAC 地址。图5 所示为抓取数据经处理获取的结构化表格数据。

图中，除了标记的实验设备MAC 地址，还存在探针抓取的无效数据，使用2.1 节所述的过滤规则，获取最终数据。如图6 所示，最右侧一列为经2.2 节数据加密方法获得的源MAC 哈希值。

若出现确诊患者，在上报患者MAC 地址后基于Pthon 语言设计了查找目标MAC 程序，可快速查找出对应的目标MAC 地址和时间戳。

图4 探针抓取数据

图5 数据表格化

图6 有效数据集

输出结果如下:

3.3 优势与微创新点

基于以上实验分析，该系统具有五个优势与三个微创新点。

优势：1）隐私性：在保障个人隐私的前提下采集非敏感信息MAC 地址，用于识别用户行为，避免了传统手机信令数据的敏感性缺陷；2）真实性：通过识别与确诊者的密接行为，匹配密接者的手机MAC 地址，确定密接者数量和具体特征；3）及时性：通过识别MAC 地址发出警报，识别具体密接者及次密接者，阻止其再次出行并建议其进行医学检测；4）灵活性：探针系统识别数量可调整，当超过阈值后，系统报警提示以免疫情传播；5）大样本性：移动终端基本均具备WiFi 和蓝牙功能，可为该系统的应用提供大样本空间，提升识别的精确度。

微创新点：1）密闭空间潜在疫情传播链精准自动化识别管理创新。基于密闭空间移动终端用户设备的MAC 地址，采用探针技术对密接人群进行自动化识别，实现了数据的自动采集、自动匹配和自动预警等功能，不仅可识别密接人群，更可实现自动化寻迹，甚至为多级传播链的识别提供了自动化手段，识别结果更加精确，检测效率更加高效，可为疫情防控提供有力支撑。2）低成本高可靠度的移动终端大数据应用创新。该系统通过与移动终端大数据技术相结合，实现了对密接人群的高效精准识别。在识别过程中，不受天气等异常环境的影响，且系统的成本费用较低，具有较好的推广应用价值。3）隐私保护下的交通物联网寻迹技术创新。从疫情安全角度出发、基于交通物联网技术，定位目标在公共场所中的踪迹以及接触人群。仅针对用户进出记录进行统计，数据仅存留一定期限，数据安全符合GB/T 22239-2019 信息安全技术网络安全等级保护基本要求的二级要求，既保护了个人隐私，同时也实现了对密接人群轨迹的动态监测。

4 结束语

通过在营运车辆、站台、室外广场、超市等公共场所等车辆内安装WiFi-蓝牙探针，并实时获取移动终端设备MAC 地址，经WiFi-蓝牙探针数据获取及筛选、患者确诊后寻找（次）密接链、（次）密接人群再次识别警报等步骤实现对密接人群动态监测，优化了疫情防控中的（次）密接链寻找方法，高效精准的识别（次）密接链，从而尽快确定目标群体。此外，可进一步通过设置WiFi-蓝牙探针检测阈值，实时监测密闭场所人数，从而满足疫情防控要求下的人数限制。由于该项技术需要用户开启手机WiFi 或蓝牙，而对于未开启手机WiFi 和蓝牙的用户便不能采集其信息。因此，该系统在数据获取方面存在一定的不足之处，考虑采用多源数据融合的方式进一步提高识别的精准程度。