盧天增，甄衛(wèi)民，馬寶田，劉少林，譚帥

( 中國電波傳播研究所，山東青島 266107)

0 引言

目前，在全世界范圍內(nèi)，由美國的GPS、俄羅斯的GLONASS、歐洲的Galileo、中國的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BDS)共同組成了全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(GNSS).GNSS是能在地球表面或近地空間的任何地點(diǎn)為用戶提供全天候的三維坐標(biāo)和速度以及時(shí)間信息的空基無線電導(dǎo)航定位系統(tǒng)，通過獲取4顆及以上的衛(wèi)星數(shù)據(jù)，即可解算出當(dāng)前接收機(jī)的定位坐標(biāo)[1].無限局域網(wǎng)(WLAN)指通過無線通信技術(shù)將信息設(shè)備互聯(lián)，構(gòu)成相互通信的網(wǎng)絡(luò)，其特點(diǎn)是不受固定網(wǎng)絡(luò)線纜束縛，接入方便，移動(dòng)性強(qiáng)[2].無線蜂窩網(wǎng)絡(luò)通過運(yùn)營商架設(shè)的無線通信基站布設(shè)形成，為移動(dòng)終端提供無線通信服務(wù).

據(jù)環(huán)球網(wǎng)報(bào)道[3]，自2019年12月底新型冠狀病毒肺炎爆發(fā)以來，截至到北京時(shí)間2020年5月9日14時(shí)，全球感染人數(shù)超過390萬，死亡人數(shù)超過27.4萬.面對(duì)新型冠狀病毒肺炎疫情在全球范圍的迅速蔓延趨勢，對(duì)其進(jìn)行有效遏制的措施有以下幾方面：1)人員聚集場所、交通工具定期消毒、通風(fēng)；2)人員聚集場所出入紅外測溫、手動(dòng)或手機(jī)掃碼登記；3)流動(dòng)人員憑健康碼通行等措施.而針對(duì)隔離人員，采取措施則有以下幾點(diǎn)：1)居家或集中隔離；2)定時(shí)測溫，手動(dòng)上報(bào)體溫；3)重點(diǎn)隔離人員，采用人盯人方式對(duì)其24小時(shí)監(jiān)管.

結(jié)合以上兩方面對(duì)隔離人員進(jìn)行管理的措施，主要暴露了以下幾方面問題：1)大量人力、物力資源被占用；2)信息統(tǒng)計(jì)不及時(shí)，容易出面漏報(bào)、瞞報(bào)、錯(cuò)報(bào)等問題；3)信息傳遞不及時(shí)，大量被隔離人員的相關(guān)信息無法在第一時(shí)間匯集、整理、分析、上報(bào)，上級(jí)管理部門無法在第一時(shí)間獲悉下級(jí)單位被隔離人員的第一時(shí)間的相關(guān)信息，對(duì)疫情存在誤判風(fēng)險(xiǎn)；4)管理人員與隔離人員接觸可能性比較高，存在感染風(fēng)險(xiǎn).

為科學(xué)防控疫情，助力企業(yè)復(fù)工復(fù)產(chǎn)，圍繞“讓信息多跑路，管理員少跑腿”的思想，充分依托智慧社區(qū)，利用網(wǎng)格化管理平臺(tái)，基于GNSS與網(wǎng)絡(luò)通信融合定位的隔離者管理系統(tǒng)(下文簡稱“隔離管家”系統(tǒng))采取對(duì)隔離者進(jìn)行區(qū)域管理、體溫實(shí)時(shí)監(jiān)控、電子圍欄劃定、出圈告警、運(yùn)動(dòng)軌跡追蹤和密切接觸者管理等隔離措施，為各地做到“早發(fā)現(xiàn)、早報(bào)告、早隔離、早診斷、早治療”，防止疫情輸入、蔓延、輸出，控制疫情傳播提供有力的科技支撐，也為實(shí)現(xiàn)從被動(dòng)防控轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃?dòng)防疫提供必要的技術(shù)手段.企事業(yè)單位不僅可以節(jié)約對(duì)隔離人員管理的大量人力和物力成本，而且降低了管理人員與隔離人員接觸的頻率；同時(shí)，借助“云平臺(tái)”，也可以安全、有效地對(duì)每個(gè)隔離人員進(jìn)行層級(jí)管理、實(shí)時(shí)掌控、軌跡追溯、對(duì)號(hào)入座，有跡可循.

1 系統(tǒng)組成與主要功能

1.1 基本組成

“隔離管家”系統(tǒng)分為隔離者子系統(tǒng)、管理者子系統(tǒng)、中心服務(wù)子系統(tǒng)三部分.隔離者子系統(tǒng)主要包括隔離者用戶端手機(jī)軟件(APP)Android、IOS和智能手環(huán)；管理者子系統(tǒng)包括管理者用戶端Android、IOS和管理者用戶端PC；中心服務(wù)子系統(tǒng)包括中心應(yīng)用服務(wù)和中心數(shù)據(jù)庫，如圖1所示.

圖1 “隔離管家”系統(tǒng)工作原理圖

被隔離人員到達(dá)隔離點(diǎn)之后，使用手機(jī)掃描二維碼下載安裝“隔離管家”隔離者用戶端APP并注冊，打開手機(jī)“位置服務(wù)”功能(即GNSS定位功能)，設(shè)定隔離期限14天，并點(diǎn)擊“開始隔離”，根據(jù)防疫要求每天上報(bào)身體狀況、體溫等信息.隔離者用戶端APP通過調(diào)用手機(jī)“位置服務(wù)”接口，自動(dòng)獲取用戶的位置坐標(biāo)，并將用戶的注冊信息、位置信息、身體狀況信息實(shí)時(shí)上傳至中心服務(wù)子系統(tǒng).

中心服務(wù)子系統(tǒng)部署在云計(jì)算平臺(tái)上，其具備安全、高效、可擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn).中心服務(wù)子系統(tǒng)實(shí)時(shí)接收隔離者用戶端APP上傳的用戶信息，將用戶信息實(shí)時(shí)存入SQL Server 數(shù)據(jù)庫.

當(dāng)社區(qū)網(wǎng)格員或管理員需要查看本轄區(qū)內(nèi)隔離者的位置信息、健康狀態(tài)、運(yùn)動(dòng)軌跡等相關(guān)信息時(shí)，下載安裝管理端APP或使用管理端PC即可進(jìn)行查看.管理者子系統(tǒng)通過提取用戶的實(shí)時(shí)位置信息，并調(diào)用地理信息系統(tǒng)(GIS)平臺(tái)應(yīng)用程序接口(API)，按照時(shí)間順序在地圖上實(shí)時(shí)標(biāo)注位置信息，為管理者提供隔離者的軌跡信息，如果隔離者超出規(guī)定范圍，還可以為管理者提供告警信息，提醒管理者及時(shí)確認(rèn)隔離者的位置狀態(tài)，如隔離者超出隔離范圍則及時(shí)警告隔離者回到相應(yīng)隔離區(qū)域.

針對(duì)重點(diǎn)用戶，通過佩戴智能手環(huán)的方式，不僅可以借助窄帶物聯(lián)網(wǎng)(NB-IoT)實(shí)時(shí)記錄并獲取用戶的位置信息、運(yùn)動(dòng)軌跡，還可以實(shí)時(shí)直接獲取用戶的體溫信息.如果發(fā)現(xiàn)用戶體溫異常，則在第一時(shí)間對(duì)該用戶采取一定的針對(duì)性措施.

1.2 主要功能

“隔離管家”系統(tǒng)，在針對(duì)疫區(qū)返回人員，特別是國外疫區(qū)歸國人員的隔離管理方面，具有以下兩方面的功能優(yōu)勢：

1)軌跡記錄與上報(bào).利用隔離者用戶端APP，可連續(xù)自動(dòng)獲取并記錄隔離者定位信息，并生成軌跡文件和是否越過隔離警戒區(qū)的報(bào)告文件，可定時(shí)或手動(dòng)將這些文件連同個(gè)人健康狀況報(bào)告上報(bào)管理員(或中心)，也可通過微信等即時(shí)通信軟件上報(bào)給有關(guān)部門人員.

智能手環(huán)可連續(xù)監(jiān)測隔離者體溫、軌跡并實(shí)時(shí)上報(bào)，可對(duì)隔離者進(jìn)行電子圍欄設(shè)定，佩帶者超出指定圍欄范圍，管理端則予以報(bào)警.

2)實(shí)時(shí)監(jiān)控，安全管理.管理員或疫情防控中心利用管理端APP(或中心PC端)軟件，借助高效安全的云平臺(tái)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)隔離者的位置和活動(dòng)軌跡實(shí)時(shí)連續(xù)監(jiān)控，并對(duì)越過隔離警戒區(qū)的人員進(jìn)行實(shí)時(shí)警告，必要時(shí)協(xié)調(diào)有關(guān)人員前往處置.該軟件還可實(shí)現(xiàn)對(duì)眾多隔離者信息及其異常情況的報(bào)表統(tǒng)計(jì).

此外，“隔離管家”系統(tǒng)在適用于隔離者同時(shí)，做少許改動(dòng)后，還可以適用于老人(兒童)和重大會(huì)議人員軌跡監(jiān)控、體溫監(jiān)測等方面.

“隔離管家”系統(tǒng)打破了傳統(tǒng)隔離管理中的人海戰(zhàn)術(shù)，不僅可以實(shí)現(xiàn)“一人對(duì)多人”管理方式，為企事業(yè)管理單位節(jié)約大量人力、物力成本的同時(shí)，還極大地降低了管理人員被感染的風(fēng)險(xiǎn)性，提高了信息匯集的及時(shí)性、高效性，為上級(jí)管理者能在第一時(shí)間獲取下級(jí)單位被隔離者的相關(guān)信息提供了數(shù)據(jù)支撐.

2 算法應(yīng)用

為保證隔離者在使用“隔離管家”系統(tǒng)時(shí)的定位結(jié)果精度，減少誤報(bào)，系統(tǒng)以GNSS與網(wǎng)絡(luò)通信融合定位的方式來保證用戶位置信息的準(zhǔn)確性[4].

GNSS定位技術(shù)在室外定位環(huán)境下的定位精度較高，精度可達(dá)到10 m 左右.國內(nèi)外手機(jī)廠商芯片普遍都支持GPS和BDS[5]，當(dāng)用戶手機(jī)能夠獲取其中任一導(dǎo)航系統(tǒng)4顆及以上的衛(wèi)星信號(hào)時(shí)，即可通過衛(wèi)星與用戶手機(jī)之間的距離建立三維方程組即可獲得用戶手機(jī)的位置坐標(biāo)[6].

無線蜂窩網(wǎng)絡(luò)定位[7]是基于空間位置的一種定位技術(shù)，又稱作Cell-ID定位.通過檢測信號(hào)的特征測量值實(shí)現(xiàn)對(duì)移動(dòng)臺(tái)的定位估計(jì)，主要分為以下3種方法：1)圓周定位法，通過測量從目標(biāo)設(shè)備發(fā)出的信號(hào)以直線到達(dá)基站的時(shí)間T，可以計(jì)算目標(biāo)設(shè)備在以哪個(gè)基站為中心的同心圓上，測量在一個(gè)基站的到達(dá)時(shí)間(TOA)[1]，以基站為中心，以計(jì)算出的距離為半徑，分別畫出三個(gè)圓，三個(gè)圓相交的位置就是目標(biāo)設(shè)備的位置；2)雙曲線定位方法，即在TOA 基礎(chǔ)上延伸出到達(dá)時(shí)間差(TDOA)定位法[1]，即利用目標(biāo)設(shè)備到達(dá)兩個(gè)基站的距離差形成雙曲線，以每兩個(gè)基站為一組，構(gòu)成多組基站形成的雙曲線的交點(diǎn)便為目標(biāo)設(shè)備的位置；3)方位測量定位方法，也稱為信號(hào)到達(dá)角度(AOA)定位方法，該方法通過基站接收機(jī)天線測出目標(biāo)設(shè)備發(fā)射信號(hào)的入射角，從而形成一條接收機(jī)到目標(biāo)設(shè)備的徑向連線，利用兩個(gè)或兩個(gè)以上接收機(jī)提供的AOA 測量值確定多條方位線的交點(diǎn)，即為目標(biāo)設(shè)備的位置.

基于無線局域網(wǎng)的室內(nèi)定位方法主要有2種[8]：1)指紋定位方法[9]，即在室內(nèi)環(huán)境中某點(diǎn)接收到的無線接入點(diǎn)(AP)物理地址(MAC)及對(duì)應(yīng)的信號(hào)強(qiáng)度為此點(diǎn)的無線指紋，因?yàn)椴灰粯游恢媒邮盏降男盘?hào)不同，所以不一樣位置有不一樣的無線指紋.假如獲取一個(gè)包含室內(nèi)各個(gè)位置無線指紋的數(shù)據(jù)庫，當(dāng)需要定位時(shí)即可將已獲取的指紋與數(shù)據(jù)庫相比對(duì)，便獲得該位置的坐標(biāo)；2)基于接收信號(hào)強(qiáng)度的定位法，根據(jù)獲取到的信號(hào)強(qiáng)度，利用傳輸模型和信號(hào)強(qiáng)度獲取節(jié)點(diǎn)與設(shè)備的傳輸距離，計(jì)算出該點(diǎn)的位置.

根據(jù)上述算法的特點(diǎn)，結(jié)合用戶使用場景的不同，本文將定位環(huán)境分為4種情況，如表1所示.

表1 GNSS與網(wǎng)絡(luò)通信融合定位方案

沒有無線網(wǎng)絡(luò)或者蜂窩網(wǎng)，GNSS任一系統(tǒng)衛(wèi)星數(shù)量大于等于4顆，采用GNSS單獨(dú)定位；有無線網(wǎng)絡(luò)或者蜂窩網(wǎng)，但GNSS任一系統(tǒng)衛(wèi)星數(shù)量小于4顆，采用GNSS和網(wǎng)絡(luò)組合定位；有無線網(wǎng)絡(luò)或蜂窩網(wǎng)，GNSS任一系統(tǒng)衛(wèi)星數(shù)量大于等于4顆，網(wǎng)絡(luò)輔助GNSS定位；有網(wǎng)絡(luò)，無GNSS的情況下，采用網(wǎng)絡(luò)單獨(dú)定位[2].

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

首先，“隔離管家”系統(tǒng)采用MVC模式[10]進(jìn)行開發(fā)，將業(yè)務(wù)邏輯、數(shù)據(jù)、界面顯示分別開發(fā)，通過相互之間調(diào)用預(yù)留接口，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)的運(yùn)行，從而具備耦合性低、重用性高、部署快、生命周期成本低，可維護(hù)性高等特點(diǎn)[11].

其次，“隔離管家”系統(tǒng)依托“云計(jì)算平臺(tái)”+“負(fù)載均衡”+“信息安全等級(jí)保護(hù)”，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性、高并發(fā)處理能力與信息安全防護(hù)能力[12].

再次，“隔離管家”系統(tǒng)利用第三方接口服務(wù)(如Web服務(wù)API、高德地圖API)和第三方插件(如redis)，系統(tǒng)運(yùn)行更加穩(wěn)定、流暢.

“隔離管家”系統(tǒng)主要分為基礎(chǔ)層、數(shù)據(jù)層、服務(wù)層、應(yīng)用層、交互層，如圖2所示.

圖2 “隔離管家”體系結(jié)構(gòu)圖

3.1 基礎(chǔ)層

基礎(chǔ)層主要包括運(yùn)行環(huán)境支撐、高并發(fā)處理、接入服務(wù)、信息安全保障、實(shí)時(shí)定位、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)等功能.

運(yùn)行環(huán)境支撐：該功能以“云計(jì)算平臺(tái)”為基礎(chǔ)[13]，是“隔離管家”系統(tǒng)中心服務(wù)運(yùn)行所必需的操作系統(tǒng)環(huán)境，并提供計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、資源管理、應(yīng)用發(fā)布功能服務(wù).

高并發(fā)處理：該功能主要以NGINX 軟件負(fù)載均衡[14]為基礎(chǔ)，在現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)帶寬的基礎(chǔ)上提高了吞吐量，加強(qiáng)了網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)高并發(fā)處理能力，提高了網(wǎng)絡(luò)的靈活性和可用性.

接入服務(wù)：該功能以NB-IoT[15]為基礎(chǔ)，為智能手環(huán)等設(shè)備提供接入服務(wù)功能.

信息安全保障：“信息安全等級(jí)保護(hù)”通過邊界防護(hù)、訪問控制、入侵防范、惡意代碼和垃圾郵件防范、身份鑒別等功能，為保護(hù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)安全提供保障.

實(shí)時(shí)定位：該功能以GNSS和網(wǎng)絡(luò)定位服務(wù)為基礎(chǔ)，提供相關(guān)定位服務(wù)功能.

網(wǎng)絡(luò)服務(wù)：該功能以電信運(yùn)營商提供的互聯(lián)網(wǎng)或4G 網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，為用戶設(shè)備提供網(wǎng)絡(luò)服務(wù)功能.

3.2 數(shù)據(jù)層

主要包括數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)管理、接口服務(wù)等功能[16].

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)：將“隔離人員信息”、“管理人員信息”、“密切接觸者信息”、“隔離人員軌跡”、“隔離人員健康信息”分類存入相對(duì)應(yīng)的庫中，保證數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的完整性，數(shù)據(jù)庫表設(shè)計(jì)如表2所示.

表2 隔離者數(shù)據(jù)庫表設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)管理：通過增、刪、改、查等功能，保證了相關(guān)數(shù)據(jù)的時(shí)效性.

接口服務(wù)：通過調(diào)用數(shù)據(jù)庫接口，實(shí)現(xiàn)前端與數(shù)據(jù)庫的可交互性.

3.3 服務(wù)層

主要包括Web服務(wù)、地理信息顯示、消息服務(wù)、融合定位等功能.

Web服務(wù)功能：通過調(diào)用Web API服務(wù)接口，實(shí)現(xiàn)前端界面與后臺(tái)服務(wù)之間的數(shù)據(jù)交互，從而實(shí)現(xiàn)用戶登錄、用戶注冊等功能.

地理信息顯示功能：通過調(diào)用高德地圖API服務(wù)接口，實(shí)現(xiàn)用戶位置顯示、軌跡展示等功能.

消息服務(wù)功能：通過調(diào)用第三方插件redis，實(shí)現(xiàn)交互信息的流轉(zhuǎn)、消息發(fā)布、消息訂閱等功能.

融合定位功能：調(diào)用封裝后的融合定位算法庫，實(shí)現(xiàn)用戶的精確定位功能.

3.4 服務(wù)層

根據(jù)不同功能定位，“隔離管家”系統(tǒng)主要分為隔離者子系統(tǒng)、管理者子系統(tǒng)、中心服務(wù)子系統(tǒng)，具體功能如上述圖2所示.

3.5 交互層

主要分為在不同的應(yīng)用場景下，系統(tǒng)的主要展現(xiàn)形式.如：隔離者用戶端、管理者用戶端.隔離者用戶又分為Android 版APP、IOS版APP；管理者用戶端分為Android 版APP、IOS版APP、PC版.系統(tǒng)針對(duì)不同用戶的不同應(yīng)用場景與應(yīng)用模式，提供豐富的交互方式.

3.6 系統(tǒng)部署與實(shí)施

山東省青島市城陽區(qū)夏莊街道天泰城社區(qū)是目前青島市最大的綜合性的城市社區(qū)，共有9個(gè)住宅小區(qū)，常住人口6 900戶，4萬余人.針對(duì)周邊外資企業(yè)較多，在此居住的外籍人士也較多的特點(diǎn)，開發(fā)團(tuán)隊(duì)成員主動(dòng)與社區(qū)管理人員接洽，上門為管理人員免費(fèi)安裝試用“隔離管家”系統(tǒng).

試用隔離人員和社區(qū)管理員實(shí)現(xiàn)“零接觸”，借助掃描二維碼下載APP軟件(Android 或IOS)，各自安裝與其手機(jī)操作系統(tǒng).社區(qū)管理員可以通過管理者用戶端實(shí)時(shí)查看隔離者的活動(dòng)軌跡、體溫狀況，同時(shí)管理人員可以根據(jù)管理規(guī)定需要，為每個(gè)隔離者設(shè)定隔離期，在PC管理端可以集中匯總社區(qū)內(nèi)所有隔離者的相關(guān)信息.

如圖3所示，隔離者下載安裝“隔離管家”APP后，打開APP，輸入用戶名和密碼即可登錄.

圖3 隔離者端登錄界面與主界面

如圖4所示，打開手機(jī)定位功能，點(diǎn)擊開始隔離，系統(tǒng)自動(dòng)顯示隔離者剩余的隔離時(shí)間和隔離圈.點(diǎn)擊“上報(bào)隔離期信息”，系統(tǒng)跳轉(zhuǎn)到“上報(bào)隔離期信息”界面.隔離者填報(bào)完體溫等身體健康信息后，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)獲取并連同運(yùn)動(dòng)軌跡等一起上傳至云服務(wù)器.

圖4 隔離者用戶端上報(bào)功能界面

如圖5所示，社區(qū)管理者注冊完成后，輸入用戶名密碼，即可登錄管理端APP軟件，并能夠獲取本轄區(qū)內(nèi)所有隔離者的相關(guān)信息.

圖5 管理者用戶端登錄與注冊界面

如圖6所示，管理者可以查看隔離者運(yùn)動(dòng)軌跡、隔離期、健康狀況等信息.

圖6 管理者用戶端信息查看與軌跡回放功能界面

如圖7所示，管理者在PC端通過WEB瀏覽器登錄管理端界面.

圖7 PC管理端用戶登錄功能界面

如圖8所示，管理者在PC端查看隔離者的相關(guān)信息.

圖8 PC管理端查看人員信息功能界面

如圖9所示，管理者在PC端可以查看隔離者運(yùn)動(dòng)軌跡、隔離期、健康狀況等信息.

圖9 PC管理端回放軌跡功能界面

4 結(jié)論

本文結(jié)合當(dāng)前疫情防控的形勢，開發(fā)出一款“基于GNSS與網(wǎng)絡(luò)通信融合定位的隔離者管理系統(tǒng)”，即“隔離管家”系統(tǒng)，詳細(xì)地闡述了系統(tǒng)的應(yīng)用模式、工作原理、算法依據(jù)、模塊功能、系統(tǒng)組成以及具體實(shí)現(xiàn)途徑，并在相關(guān)社區(qū)進(jìn)行推廣試驗(yàn)，具有一定的先進(jìn)性與代表性.

國內(nèi)疫情防控工作趨于平穩(wěn)，防控工作的重點(diǎn)已經(jīng)轉(zhuǎn)移至境外人員輸入方面.如何加強(qiáng)對(duì)境外輸入人員的隔離管控，成為疫情防控工作的重中之重.“隔離管家”為企事業(yè)單位、街道、區(qū)(縣)、市及以上行政部門打造了一個(gè)一體化的疫情防控管理平臺(tái)，為實(shí)現(xiàn)聯(lián)防聯(lián)控機(jī)制，堅(jiān)決遏制疫情蔓延勢頭，提供了一個(gè)可靠的服務(wù)保障平臺(tái)，為后期管理者的決策分析、追根溯源、疫情形勢研判等，提供了可靠的數(shù)據(jù)支撐，為政府和社會(huì)節(jié)約了大量的公共資源.