高國弘 緱曉輝 馬旭成 王淑麗

(1 中國氣象局旱區(qū)特色農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警與風(fēng)險管理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，銀川 750002； 2 寧夏氣象服務(wù)中心，銀川 750002；3 中國移動通信集團(tuán)寧夏有限公司，銀川 750011)

引言

我國各類自然災(zāi)害頻發(fā)，造成了重大經(jīng)濟(jì)損失，給人們的生活和生命安全帶來了嚴(yán)重威脅[1]。為應(yīng)對并減輕各類災(zāi)害的不利影響，由氣象部門牽頭，成立了國家、省、市、縣各級預(yù)警信息發(fā)布中心(機(jī)構(gòu))，建設(shè)了國家突發(fā)公共事件預(yù)警信息發(fā)布系統(tǒng)，構(gòu)建了預(yù)警信息發(fā)布體系，利用廣播、電視、聲訊電話、傳真、網(wǎng)站、手機(jī)短信、大喇叭、電子顯示屏、微博、微信、APP等多種手段向政府應(yīng)急部門、企事業(yè)單位和社會公眾發(fā)布災(zāi)害預(yù)警信息，提高了災(zāi)害應(yīng)急防范能力,有效減少了災(zāi)害所帶來的損失[2-5]。但另一方面，目前突發(fā)事件預(yù)警信息發(fā)布系統(tǒng)在發(fā)布預(yù)警信息時以群發(fā)或廣播發(fā)布方式為主，發(fā)送的時效性、針對性不強(qiáng)，影響了發(fā)送的效率[6-7]。探索預(yù)警信息區(qū)域定位即“靶向”發(fā)送的技術(shù)，是一項(xiàng)亟待研究解決的創(chuàng)新性工作[8-10]。

就發(fā)布方式而言，移動端APP、微信小程序等方式由于可以實(shí)時獲取用戶位置，更易于實(shí)現(xiàn)“靶向”[11-13]，但受用戶是否安裝、是否開啟應(yīng)用及通知權(quán)限的影響，受眾覆蓋面有限。而傳統(tǒng)電視、廣播、報紙、網(wǎng)站等媒體，因?yàn)樾枰脩糁鲃咏邮栈蛩阉?，不能及時獲得預(yù)警信息。相反，短信方式由于具有傳播上的主動性、便捷性，且?guī)缀跞巳硕加惺謾C(jī)，處處都有無線通信信號，如能解決短信的靶向發(fā)布問題，在預(yù)警信息發(fā)布上將更有效。

目前，氣象部門所建設(shè)的氣象短信平臺、突發(fā)事件短信平臺，普遍存在以下局限性[14-15]，無法完全滿足預(yù)警信息靶向發(fā)布的需要：①發(fā)送時效問題,受短信網(wǎng)關(guān)發(fā)送速率限制，氣象手機(jī)短信一次大批量群發(fā)通常需要數(shù)小時，以此發(fā)送預(yù)警信息難以做到及時高效；②覆蓋面問題,氣象短信的訂制用戶一般只占全部手機(jī)用戶的1%左右，氣象部門無法得到移動運(yùn)營商的全體用戶號碼，難以做到實(shí)際上的全網(wǎng)發(fā)布；③定位發(fā)布問題,現(xiàn)行的氣象短信是依據(jù)用戶訂制市縣信息發(fā)送的，這種粗略的位置信息難以代表用戶當(dāng)前的真實(shí)位置，且最小區(qū)域?yàn)橐粋€縣，無法滿足向更小區(qū)域發(fā)送預(yù)警信息的需求。

功能機(jī)時代的手機(jī)有“小區(qū)廣播”功能，可實(shí)現(xiàn)區(qū)域內(nèi)各類資訊信息的選擇性接收。深圳市氣象局與移動公司曾合作利用該功能發(fā)送預(yù)警信息[16]。但由于此功能需要用戶主動開啟方能實(shí)現(xiàn)短信接收，在大力宣傳推廣后其小區(qū)廣播開通率也只占全體手機(jī)用戶的30%左右，智能手機(jī)中已無此功能；其他行業(yè)也嘗試過自建相關(guān)設(shè)備直接向基站推送信息，實(shí)現(xiàn)廣告短信的精準(zhǔn)發(fā)布，此種方式常被偽基站用來發(fā)送騷擾和詐騙短信，目前技術(shù)上也已不可用。

綜上，目前氣象部門所掌握的短信發(fā)布系統(tǒng)，無法全面滿足預(yù)警信息快速、精準(zhǔn)發(fā)布的要求，還需要進(jìn)一步研究，提出更好的解決方案，以充分發(fā)揮手機(jī)短信的優(yōu)勢。

1 總體方案設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)思路

寧夏氣象部門早在2010年就提出了利用聯(lián)通公司“邊界提示音”系統(tǒng)定位發(fā)送預(yù)警短信的設(shè)想：實(shí)時獲取移動蜂窩通信中各個基站上接入用戶的手機(jī)號碼，依次向處在預(yù)警區(qū)域內(nèi)所有基站接入手機(jī)用戶發(fā)布預(yù)警短信，從而實(shí)現(xiàn)基于移動通信系統(tǒng)，限時(小批量用戶發(fā)送可規(guī)避短信發(fā)送速度問題)、定點(diǎn)(向特定區(qū)域內(nèi)用戶發(fā)送)、全覆蓋(處在這些基站覆蓋下的無論本地還是外地手機(jī)用戶均可收到)發(fā)送各類預(yù)警信息的目的。實(shí)現(xiàn)該設(shè)想的技術(shù)關(guān)鍵，在于運(yùn)營商必須具有可實(shí)時獲取所有基站接入用戶手機(jī)信息的用戶數(shù)據(jù)分析平臺，并為第三方提供數(shù)據(jù)接口。由于當(dāng)時聯(lián)通公司相關(guān)系統(tǒng)不具備第三方系統(tǒng)接入能力，未能實(shí)現(xiàn)這一設(shè)想[17-19]。

2019年初寧夏移動建成了“移動大數(shù)據(jù)平臺”，具備了相應(yīng)功能。2019年6月寧夏氣象服務(wù)中心與寧夏移動大數(shù)據(jù)中心共同擬定了“寧夏大數(shù)據(jù)平臺對接寧夏突發(fā)事件預(yù)警信息平臺解決方案”，使該設(shè)想得以實(shí)施。

1.2 系統(tǒng)布局

系統(tǒng)由氣象部門端和運(yùn)營商端組成(圖1)。由于手機(jī)號碼等移動用戶數(shù)據(jù)的敏感性，對移動通信運(yùn)營商而言，此類數(shù)據(jù)是保密的。為保障數(shù)據(jù)的安全性，需要將“基站接入用戶信息獲取與短信發(fā)送”部分封閉在移動運(yùn)營商內(nèi)部。

圖1 突發(fā)事件預(yù)警短信靶向發(fā)布系統(tǒng)布局

該系統(tǒng)氣象部門端提供包含預(yù)警內(nèi)容和地域范圍的預(yù)警信息，通過互聯(lián)網(wǎng)或網(wǎng)絡(luò)專線向移動運(yùn)營商推送，運(yùn)營商端接收到推送信息后，依據(jù)預(yù)警地域范圍定位基站，從相關(guān)基站中提取用戶手機(jī)號碼表，并交由短信網(wǎng)關(guān)向該區(qū)域內(nèi)用戶發(fā)送預(yù)警短信內(nèi)容。

1.3 業(yè)務(wù)流程設(shè)計(jì)

通過氣象部門端的突發(fā)事件預(yù)警信息發(fā)布系統(tǒng)與移動運(yùn)營商數(shù)據(jù)平臺的交互對接，實(shí)現(xiàn)預(yù)警短信的靶向發(fā)布與發(fā)布結(jié)果的回饋。以與中國移動大數(shù)據(jù)平臺的對接為例，業(yè)務(wù)流程為：首先由各預(yù)警信息發(fā)布責(zé)任單位通過政務(wù)網(wǎng)登陸本省突發(fā)事件預(yù)警信息發(fā)布系統(tǒng)(下稱“省突系統(tǒng)”)，編輯制作預(yù)警信息內(nèi)容及發(fā)布區(qū)域，省突系統(tǒng)向中國移動大數(shù)據(jù)省公司應(yīng)用平臺(下稱“移動大數(shù)據(jù)平臺”)請求短信發(fā)送業(yè)務(wù)，并推送短信內(nèi)容與發(fā)布區(qū)域數(shù)據(jù)；移動大數(shù)據(jù)平臺實(shí)時獲取移動通信基站接入用戶數(shù)據(jù)，并依據(jù)預(yù)警地域范圍篩選出目標(biāo)用戶，將目標(biāo)用戶手機(jī)號碼表與預(yù)警短信內(nèi)容一起提交給中國移動云MAS短信平臺，由云MAS向預(yù)警區(qū)域內(nèi)手機(jī)用戶發(fā)送預(yù)警短信，發(fā)送完成后將成功用戶數(shù)與失敗用戶數(shù)反饋給移動大數(shù)據(jù)平臺，由移動大數(shù)據(jù)平臺將數(shù)據(jù)匯總后反饋給省突系統(tǒng)，再由省突系統(tǒng)匯總各渠道發(fā)送數(shù)據(jù)，反饋給預(yù)警信息發(fā)送單位，完成一次預(yù)警短信靶向發(fā)布業(yè)務(wù)。具體業(yè)務(wù)流程見圖2。

圖2 突發(fā)事件預(yù)警短信靶向發(fā)布業(yè)務(wù)流程

2 技術(shù)解決方案

2.1 技術(shù)基礎(chǔ)

(1)蜂窩移動通信與AGPS定位。蜂窩移動通信系統(tǒng)(Cellular Mobile Communication System)是一種移動通信硬件架構(gòu)。由于構(gòu)成系統(tǒng)的各通信基站的信號覆蓋面呈六邊形，從而使整個覆蓋網(wǎng)絡(luò)像一個蜂窩而得名，見圖3。

圖3 蜂窩移動通信原理示意

當(dāng)用戶手機(jī)進(jìn)入某個蜂窩范圍就會通過相應(yīng)的基站接入移動通信網(wǎng)絡(luò)，以便移動通信系統(tǒng)找到用戶，為用戶提供通信服務(wù)。因位于蜂窩中心的基站鐵塔位置固定不變，根據(jù)用戶此刻在鐵塔上的注冊信息，便可確定用戶的大致位置。所謂的AGPS(Assisted Global Positioning System)輔助全球定位系統(tǒng)，就是利用地面移動通信基站配合GPS衛(wèi)星，提供更快速定位的技術(shù)。一個蜂窩的半徑在0.01～25 km，城市中密集鄉(xiāng)村中稀疏，雖然這種定位方式相對于GPS要粗略，但在被移動信號覆蓋的室內(nèi)仍可定位，所以成為GPS的補(bǔ)充[17-18]。

(2)突發(fā)公共事件預(yù)警信息發(fā)布系統(tǒng)。依據(jù)國務(wù)院《“十一五”國家突發(fā)公共事件應(yīng)急體系建設(shè)規(guī)劃》，2011—2015年，依托中國氣象局現(xiàn)有信息化基礎(chǔ)設(shè)施和信息發(fā)布渠道，我國已經(jīng)建成了覆蓋1個國家級、31個省級、343個地市級的預(yù)警信息發(fā)布平臺和2015個縣級終端，形成上連國務(wù)院，橫向連接部委、廳局，縱向到省、市、縣，規(guī)范統(tǒng)一的預(yù)警信息發(fā)布體系，200多類預(yù)警信息能夠在系統(tǒng)中進(jìn)行實(shí)時的錄入、審核、簽發(fā)、傳播與共享，實(shí)現(xiàn)面向各級政府領(lǐng)導(dǎo)、應(yīng)急聯(lián)動部門、應(yīng)急責(zé)任人和社會媒體全覆蓋，為有效應(yīng)對各類突發(fā)事件、提升各級政府應(yīng)急管理水平提供技術(shù)支撐[2-3]。全國各省級氣象部門又建設(shè)了相應(yīng)的省級突發(fā)公共事件預(yù)警信息發(fā)布系統(tǒng)(簡稱“省突系統(tǒng)”)，實(shí)現(xiàn)本省多災(zāi)種預(yù)警信息的采編和統(tǒng)一發(fā)布。

(3)中國移動大數(shù)據(jù)平臺。為進(jìn)一步提高互聯(lián)網(wǎng)戰(zhàn)略服務(wù)能力，對內(nèi)驅(qū)動企業(yè)管理的精細(xì)化、智能化，對外提供信息服務(wù)型產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)開放后的運(yùn)營和服務(wù)提升，中國移動2016年底著手在全國范圍內(nèi)實(shí)施企業(yè)級大數(shù)據(jù)中心建設(shè)工作。已建成移動大數(shù)據(jù)平臺的技術(shù)架構(gòu)分為4層，分別為獲取層、存儲計(jì)算層、服務(wù)層與應(yīng)用層，實(shí)現(xiàn)中國移動全部數(shù)據(jù)“統(tǒng)一采集、統(tǒng)一存儲、統(tǒng)一管理、統(tǒng)一運(yùn)營、統(tǒng)一服務(wù)”，可對外提供軟件(SaaS)、平臺(PaaS)、數(shù)據(jù)(DaaS)3種類型的大數(shù)據(jù)云服務(wù)，其功能結(jié)構(gòu)見圖4。2018年12月29日寧夏移動與西藏、天津一起正式入駐該集約化大數(shù)據(jù)平臺[19-21]。

圖4 中國移動大數(shù)據(jù)平臺技術(shù)架構(gòu)

2.2 業(yè)務(wù)需求

突發(fā)公共事件預(yù)警短信靶向發(fā)布業(yè)務(wù)，就移動運(yùn)營商而言是一項(xiàng)“與外部行業(yè)合作，實(shí)時請求移動大數(shù)據(jù)應(yīng)用服務(wù)的業(yè)務(wù)?！痹摌I(yè)務(wù)的具體需求為：氣象部門與中國移動相關(guān)業(yè)務(wù)平臺實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)級對接，寧夏氣象局實(shí)時向?qū)幭囊苿油扑皖A(yù)警短信內(nèi)容及發(fā)布區(qū)域地理范圍數(shù)據(jù)，移動運(yùn)營商依據(jù)地理范圍篩選出目標(biāo)用戶并向其發(fā)送預(yù)警短信，短信發(fā)送完成后向氣象部門反饋發(fā)送結(jié)果，實(shí)現(xiàn)預(yù)警短信靶向發(fā)布業(yè)務(wù)的全流程自動化。

依據(jù)“數(shù)據(jù)不出局”原則，整個發(fā)送過程從物理層到應(yīng)用層隔絕氣象部門獲取基站地理位置與用戶手機(jī)號碼數(shù)據(jù)。

2.3 系統(tǒng)對接技術(shù)方案

移動大數(shù)據(jù)平臺具備實(shí)時接口服務(wù)，支持應(yīng)用程序集成，具有良好的跨平臺特性及開放性，可獨(dú)立低耦合接收外部請求。寧夏移動為寧夏氣象制定一套專門的預(yù)警信息接口協(xié)議并開發(fā)相應(yīng)的接口軟件，通過互聯(lián)網(wǎng)公布給氣象部門，再由氣象部門依據(jù)接口協(xié)議開發(fā)預(yù)警信息推送軟件，實(shí)現(xiàn)省突系統(tǒng)與移動大數(shù)據(jù)平臺對接。

移動大數(shù)據(jù)平臺提供的接口類型為Web Service(互聯(lián)網(wǎng)服務(wù))。省突系統(tǒng)使用SOAP(Simple Object Access Protocol,簡易對象訪問協(xié)議)協(xié)議通過HTTP調(diào)用向移動大數(shù)據(jù)省平臺提出實(shí)時發(fā)送請求，即提交基于WSDL(Web Services Description Language，Web服務(wù)描述語言)文檔生成的SOAP請求信息。該信息分為包含預(yù)警短信內(nèi)容及發(fā)送區(qū)域經(jīng)緯度數(shù)據(jù)的“業(yè)務(wù)請求接口”，與包含總用戶數(shù)、發(fā)送成功用戶數(shù)、失敗用戶數(shù)的“業(yè)務(wù)反饋接口”。

業(yè)務(wù)請求接口WSDL文檔參考格式：

業(yè)務(wù)反饋接口WSDL文檔參考格式：

2.4 預(yù)警區(qū)域與基站位置對應(yīng)策略

突發(fā)事件預(yù)警信息發(fā)布系統(tǒng)提供有Web GIS界面，供相關(guān)業(yè)務(wù)人員在制作預(yù)警信息時圈定預(yù)警范圍，此范圍一般由表示一個閉合區(qū)域的多個經(jīng)緯度數(shù)據(jù)描述。將該區(qū)域數(shù)據(jù)發(fā)送給移動大數(shù)據(jù)平臺，檢索其中所包含的移動通信基站技術(shù)上可行，但由于基站眾多，該方法可能面臨很大的計(jì)算量；同時依據(jù)突發(fā)事件預(yù)警系統(tǒng)中所遵循的國際通用警報協(xié)議(Common Alerting Protocol,CAP)，定義了多邊形區(qū)域(polygon)、圓形區(qū)域(circle)、地理編碼區(qū)域(geocode)多種區(qū)域描述方式[22]，也將提升軟件處理的復(fù)雜度，從而造成較大的延時，對于爭分奪秒的預(yù)警短信發(fā)布業(yè)務(wù)應(yīng)盡可能避免。

為解決上述問題，可采用雙方約定，將寧夏全區(qū)范圍按5 km×5 km或更小網(wǎng)格編碼，寧夏移動事先制作一張網(wǎng)格編碼與基站編號的對照表。每次發(fā)送預(yù)警信息前，省突系統(tǒng)首先將經(jīng)緯度表示的地理范圍，反演成網(wǎng)格編碼，再發(fā)送給移動大數(shù)據(jù)平臺，該平臺用地理編碼直接從對照表中查詢出基站信息，以不變應(yīng)萬變，可提高計(jì)算效率。

2.5 目標(biāo)用戶篩選

目標(biāo)用戶篩選——即從基站接入用戶大數(shù)據(jù)中篩選出目標(biāo)用戶的數(shù)據(jù)。

由于移動公司GSM(2G)、TD(3G)、LTE(4G)無線通信系統(tǒng)建成于不同的時期，基站注冊用戶信息存在于不同的系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中，為了便于后續(xù)的應(yīng)用，需在數(shù)據(jù)預(yù)處理環(huán)節(jié)，從GSM、TD、LTE系統(tǒng)中的3張基站小區(qū)接口表中讀取基站小區(qū)信息并匯總到1張表中，這張表中得到的就是寧夏所有移動基站某一時刻全部的接入用戶數(shù)據(jù)。之后調(diào)用移動大數(shù)據(jù)平臺大數(shù)據(jù)流處理功能，基于由預(yù)警區(qū)域反演出的基站數(shù)據(jù)檢索提取目標(biāo)用戶數(shù)據(jù)，即預(yù)警區(qū)域內(nèi)所有用戶的手機(jī)號碼。最后將目標(biāo)用戶手機(jī)號與預(yù)警內(nèi)容合成為JSON(一種輕量級的數(shù)據(jù)交換格式)數(shù)據(jù)推送給移動云MAS短信平臺，向目標(biāo)用戶發(fā)送預(yù)警短信，完成一個預(yù)警信息發(fā)送流程(圖5)。

圖5 目標(biāo)用戶篩與應(yīng)用選流程

2.6 預(yù)警信息發(fā)布策略

(1)啟動條件。突發(fā)事件預(yù)警短信靶向發(fā)布業(yè)務(wù)可實(shí)現(xiàn)預(yù)警信息精準(zhǔn)、強(qiáng)制、快速投送，但此類非用戶訂制短信并不是多多益善。2018—2020年近3年寧夏發(fā)布的氣象預(yù)警信息的統(tǒng)計(jì)結(jié)果(表1)表明，紅色和橙色預(yù)警信息最多的2018年月均發(fā)布量也不足4次，且80%以上面向較小區(qū)域。為提高發(fā)送效率，減少非必要的自動推送短信對人們生活的干擾，本著“有用才發(fā)，發(fā)必有用”的理念，只有出現(xiàn)《中華人民共和國突發(fā)事件應(yīng)對法》中所定義的一級(紅色)、二級(橙色)必須實(shí)施人員避險的特別重大與重大災(zāi)害預(yù)警時，才啟動該業(yè)務(wù)發(fā)送預(yù)警短信。

表1 2018年寧夏紅橙色氣象災(zāi)害預(yù)警信息統(tǒng)計(jì)

(2)預(yù)警短信全覆蓋的實(shí)現(xiàn)。目前，全國突發(fā)公共事件預(yù)警短信業(yè)務(wù)碼均為12379，但各省該短信碼業(yè)務(wù)覆蓋范圍只限本省，也就是說只可以向本省手機(jī)用戶發(fā)送短信。為了讓進(jìn)入預(yù)警區(qū)域內(nèi)的外省手機(jī)用戶也能收到短信，需向12379短信碼歸屬部門——中國氣象局申請拓展代碼位數(shù)，如采用12379095表明用戶所收到的短信是由寧夏預(yù)警中心發(fā)布的。

3 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的方案可以按照預(yù)警信號涉及的地域范圍，將相關(guān)信息推送給該區(qū)域內(nèi)所有移動用戶，實(shí)現(xiàn)預(yù)警信息的精準(zhǔn)靶向發(fā)布，有助于發(fā)揮災(zāi)害預(yù)警的有效性及針對性, 更好地發(fā)揮預(yù)警在防災(zāi)減災(zāi)或避免事件影響和損失方面的作用，從而更好地服務(wù)于政府和社會公眾, 提高突發(fā)事件應(yīng)急處置能力。

2020年8月，寧夏氣象局和寧夏移動聯(lián)合開展了預(yù)警短信靶向發(fā)布試驗(yàn)，采用人工傳遞預(yù)警信息方式，應(yīng)用移動大數(shù)據(jù)平臺+云MAS向預(yù)警區(qū)域內(nèi)近30萬用戶發(fā)送預(yù)警短信，并在20 min內(nèi)完成了全部發(fā)送任務(wù)，發(fā)送速率達(dá)1.5萬條/min。據(jù)測算，若采用系統(tǒng)級對接方式，實(shí)現(xiàn)全流程自動化發(fā)送，預(yù)計(jì)可在10 min內(nèi)完成同樣業(yè)務(wù)。因此，該方案完全能夠滿足突發(fā)公共事件預(yù)警信息發(fā)送的時效和精準(zhǔn)投送需求。

目前，寧夏氣象服務(wù)中心與寧夏移動大數(shù)據(jù)中心已完成基于本方案的突發(fā)事件預(yù)警短信靶向發(fā)布業(yè)務(wù)技術(shù)可行性論證，提出了具體的項(xiàng)目實(shí)施方案，該方案也已被寧夏回族自治區(qū)政府有關(guān)建設(shè)項(xiàng)目采納。