基于位置隱私保護的手機應急報警系統研究與設計

潘洪志，芮坤坤，殷西祥

（安徽商貿職業技術學院 信息與人工智能學院，安徽 蕪湖 241002）

0 引言

隨著我國經濟、科技以及文化的飛速發展，現代化城市的建設規模越來越龐大，城市管理日益復雜化，緊急突發性事件的種類和數量增多，人們對于安全的需求越來越重視。同時伴隨著移動手機的廣泛傳播，人們對移動智能設備的依賴程度越來越高。移動智能設備可以通過傳感器將人和物體的地理位置數據化[1-3]，例如，手機、PDA(Personal Digital Assistant,PDA)和車載系統之類的智能移動設備配備了GPS(Global Positioning System，GPS)、WiFi、陀 螺儀以及其他與設備位置有關的模塊，這些模塊可以隨時隨地獲取移動用戶的位置信息[4]。但是，位置數據不僅直接包含用戶的私人信息，而且還隱含其他敏感信息。例如，通過數據挖掘技術了解用戶的運動軌跡，然后可以推斷出用戶經常訪問的地理位置，從而泄露敏感信息[5]，例如用戶的工作地點或家庭住址。因此，不當使用位置數據會嚴重威脅用戶的隱私。

隱私保護指的是當用戶在使用位置服務時，通過某種技術手段，來確保用戶的位置信息不被泄露出去，從而保護用戶的位置隱私信息。姜海洋[6]等人通過分析已有的隱私保護技術，融合定位隱私保護方法，提出了一種適合5G 環境的隱私保護方法。李婕[7]等通過計算用戶移動位置的概率向量，引入k-匿名和粒子群優化算法進行優化，提高了算法的效率和服務質量。張青云[8]等對LBS系統的位置軌跡隱私保護技術進行了綜述，分類介紹了扭曲技術，匿名技術，加密技術等的隱私保護算法。楊少杰[9]等融合博弈論和區塊鏈，改進了常見的采用位置k-匿名技術保護用戶隱私安全方法。郭蕊[10]等通過改進蟻群算法將傳統的WSN 源位置隱私保護中普遍存在的高延遲和高能耗問題進行了有效改善。

綜上所述，為保護使用本報警系用戶的隱私安全，我們在獲取用戶的地理位置信息的同時，采用一種高效的k-匿名隱私保護策略來確保用戶的隱私信息。我們通過動態調整匿名組的規模來改變系統隱私保護的能力，確保系統在高效運行的同時，保證用戶的安全。

1 基于k-匿名的位置隱私保護算法

利用k-匿名算法的特點，結合該算法，本節提出基于k-匿名的移動位置隱私保護算法。k-匿名機制要求每一條記錄至少和其他k-1 條記錄在標準符QI 上一致。若將表T(d)做投影，則投影中任意一條數據至少出現k 次。相同的QI 可以構成同一個匿名組。其中，描述一張數據表，簡稱為T(d),d為準標識符的個數，m 為敏感屬性的個數。

假設移動用戶真實的地理位置信息為t,那么我們對每個匿名組包含k-1 條虛假的地理位置信息。對于匿名組的劃分上，匿名化數據集中包含的匿名組越多，匿名組的規模越小，數據集的可用性就越高。從而獲取隱私保護的能力就越強。為了提高數據集的數據質量，降低名組規模的上界，利用取整劃分函數，方法是將匿名組中的包含虛假位置信息準標識符排序，使得標識符的域構成有序域，并將有序域中的元素映射到實數域中，將所有記錄看成是d 維空間中的點，找到一個中間值將點集分開。表T(d)中的每一條記錄可以看成多維空間中的一個點，每個匿名組的規模就相當于其所對應的區域中包含記錄的總量。單維概化（SG）和多維概化（MG）所產生的匿名化數據最大匿名組的規模在最壞情況下是,匿名組的數量在最壞情況下是1。平均規模下的最壞情況也是。而對于局部編碼（LG），最大最壞匿名組規模上界不超過2k-1。匿名組的容量越大，收集的信息就越豐富，可用性就會降低，二數據集的平均匿名組規模越小，可用性就越高。如算法1 所示。

算法1

輸入：匿名組T(d),用戶所在區域X，隱私參數Amin，k

輸出：匿名區域ASR

b)H←Xn,Xm//將排序劃分后的結果入棧H內

c)ASR←Xn,Xm//初始化

d)While(AREA(ASR)

e)E←pop(H)

f)ASR←ASR∪E//將符合條件的區域合并

g)End While

h)Return ASR上述算法中，對于給定系數k，臨時匿名組X 被劃分成1X和2X,其中，可以假設臨時匿名組X 在第i 維上的投影線段是共有y-x-1個Qi 對應的實域序列元素。設置y-x-1個計數器，將Px 遍歷一遍，在根據每個上的投影值計數，遍歷完成后可以找到j的分界線，將Px 分割成兩個新的臨時分組，其中兩個臨時匿名組滿足,兩個點集中所有的點一個全部大于中間值，一個全部小于中間值,并在規模上。整個算法中，遍歷所需要的時間為O(n),表格T(d) 至多能夠被分成個多維區域，所以至多被劃分次，所以對于固定k,整個算法的時間開銷是。通過整數劃分函數的k-匿名算法所產生的匿名組平均規模趨近于k（在T(d)足夠大的時候），其中當T(d)≥2且k>3,其規模最壞情況是2k-1，當T(d)≥2k2時，最壞情況為k+1。使用均衡二劃分，存在局部貪心策略，即局部公平不是全局公平（6 個點卻不能劃分成3 個2 匿名組，只能分成2 個3 匿名組）。

2 安卓手機應急報警系統實現

基于安卓智能手機的應急報警系統模塊主要有兩部分：客戶端系統功能模塊、服務端系統功能模塊。

2.1 服務端實現過程

服務端系統主要有四個部分組成：（a）監聽模塊。用來等待客戶端連接，監聽客戶端發送的信息，記錄客戶端手機開啟次數、最后一次開啟時間和接入時間。（b）監測模塊。根據最后一次接入時間，監測手機解鎖時間模塊，判斷是否第一次運行該程序，然后判斷多久未收到消息，從而判斷是否發送提醒郵件。（c）系統定位模塊。根據每次客戶端發送的系統定位重新轉換成經緯度，來確定用戶位置信息。（d）郵件發送模塊。當監測模塊發現異常后會調用郵件發送模塊發送郵件，郵件發送模塊會根據用戶設置的緊急聯系人的郵件發送已經制定的緊急郵件，而且會連續發送多封郵件，提醒緊急聯系人。每個模塊的工作關系如圖1 所示。

圖1 服務端實現過程

2.2 客戶端實現過程

客戶端系統主要包括五個模塊：（a）DisplayMessageActivity 模塊。是用來顯示當前軟件活動模塊，給用戶直觀的顯示出當前自己動作的進度，是否發送成功郵件，是否連接服務端信息等。（b）MainActivity 模塊是App 里的核心模塊，它連接著其他四個模塊，用于處理各個信息直接的發送與接收，各個模塊通過連接這個模塊來實現數據處理。（c）MyBroadcastReceiver 模塊是接收模塊，其主要作用是接受來自服務端發送的數據，接收來自MainActivity 模塊的數據來給服務端發送數據。（d）ScreenListener 模塊是屏幕監聽模塊，主要功能就是監聽客戶端的手機信息反饋給MainActivity模塊，然后MainActivity 模塊判讀用戶是否需要進行一些動作來選擇是否發送緊急郵件。（e）SendMessage 模塊是發送數據給服務端模塊，主要功能是把手機的數據發送給服務端和連接服務端的功能。SendMessage 模塊等待MainActivity 模塊信息，如MainActivity模塊通知SendMessage模塊發送郵件，那么SendMessage模塊會把這個指令發送給服務端。每個模塊的工作關系如圖2 所示。

圖2 客戶端實現過程

2.3 運行過程

當服務端和客戶端都部署完畢時，每當手機解鎖，服務端都會收到提示，包含經緯度和客戶端解鎖的ip 地址，當服務端超過24 小時未收到手機解鎖的消息時，服務端會進入緊急救援模式，設定的緊急聯系人郵箱會收到預警郵件。用戶下載并打開安卓客戶端，在首頁文本框內輸入服務器的ip，點擊發送按鈕即代表啟動成功，啟動成功后，需給予所需權限，以確保該App 在后臺的留存率。上述配置完成后，可以嘗試將手機鎖屏再解鎖，觀察服務端輸出，若出現類似如下輸出，則表示一切正常。

圖3 App 使用效果

3 總結

本文通過分析現在手機用戶群體的特點，結合K-匿名算法，在保護用戶位置隱私的同時，能夠保障用戶的人身安全。最后，設計了一個應急報警系統，該系統能夠在緊急情況下，能夠給自己設置的緊急聯系人發送預警信息，包括用戶最后出現的地理位置，途經路徑等信息，經過測試，該系統能夠有效運行在市面上大部分安卓手機。