基于GNSS與網絡通信融合定位的隔離者管理系統的設計與實現

盧天增，甄衛民，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，由美國的GPS、俄羅斯的GLONASS、歐洲的Galileo、中國的北斗衛星導航系統(BDS)共同組成了全球衛星導航系統(GNSS).GNSS是能在地球表面或近地空間的任何地點為用戶提供全天候的三維坐標和速度以及時間信息的空基無線電導航定位系統，通過獲取4顆及以上的衛星數據，即可解算出當前接收機的定位坐標[1].無限局域網(WLAN)指通過無線通信技術將信息設備互聯，構成相互通信的網絡，其特點是不受固定網絡線纜束縛，接入方便，移動性強[2].無線蜂窩網絡通過運營商架設的無線通信基站布設形成，為移動終端提供無線通信服務.

據環球網報道[3]，自2019年12月底新型冠狀病毒肺炎爆發以來，截至到北京時間2020年5月9日14時，全球感染人數超過390萬，死亡人數超過27.4萬.面對新型冠狀病毒肺炎疫情在全球范圍的迅速蔓延趨勢，對其進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；2)人員聚集場所出入紅外測溫、手動或手機掃碼登記；3)流動人員憑健康碼通行等措施.而針對隔離人員，采取措施則有以下幾點：1)居家或集中隔離；2)定時測溫，手動上報體溫；3)重點隔離人員，采用人盯人方式對其24小時監管.

結合以上兩方面對隔離人員進行管理的措施，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)信息統計不及時，容易出面漏報、瞞報、錯報等問題；3)信息傳遞不及時，大量被隔離人員的相關信息無法在第一時間匯集、整理、分析、上報，上級管理部門無法在第一時間獲悉下級單位被隔離人員的第一時間的相關信息，對疫情存在誤判風險；4)管理人員與隔離人員接觸可能性比較高，存在感染風險.

為科學防控疫情，助力企業復工復產，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，利用網格化管理平臺，基于GNSS與網絡通信融合定位的隔離者管理系統(下文簡稱“隔離管家”系統)采取對隔離者進行區域管理、體溫實時監控、電子圍欄劃定、出圈告警、運動軌跡追蹤和密切接觸者管理等隔離措施，為各地做到“早發現、早報告、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，也為實現從被動防控轉變為主動防疫提供必要的技術手段.企事業單位不僅可以節約對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，借助“云平臺”，也可以安全、有效地對每個隔離人員進行層級管理、實時掌控、軌跡追溯、對號入座，有跡可循.

1 系統組成與主要功能

1.1 基本組成

“隔離管家”系統分為隔離者子系統、管理者子系統、中心服務子系統三部分.隔離者子系統主要包括隔離者用戶端手機軟件(APP)Android、IOS和智能手環；管理者子系統包括管理者用戶端Android、IOS和管理者用戶端PC；中心服務子系統包括中心應用服務和中心數據庫，如圖1所示.

圖1 “隔離管家”系統工作原理圖

被隔離人員到達隔離點之后，使用手機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“位置服務”功能(即GNSS定位功能)，設定隔離期限14天，并點擊“開始隔離”，根據防疫要求每天上報身體狀況、體溫等信息.隔離者用戶端APP通過調用手機“位置服務”接口，自動獲取用戶的位置坐標，并將用戶的注冊信息、位置信息、身體狀況信息實時上傳至中心服務子系統.

中心服務子系統部署在云計算平臺上，其具備安全、高效、可擴展等優點.中心服務子系統實時接收隔離者用戶端APP上傳的用戶信息，將用戶信息實時存入SQL Server 數據庫.

當社區網格員或管理員需要查看本轄區內隔離者的位置信息、健康狀態、運動軌跡等相關信息時，下載安裝管理端APP或使用管理端PC即可進行查看.管理者子系統通過提取用戶的實時位置信息，并調用地理信息系統(GIS)平臺應用程序接口(API)，按照時間順序在地圖上實時標注位置信息，為管理者提供隔離者的軌跡信息，如果隔離者超出規定范圍，還可以為管理者提供告警信息，提醒管理者及時確認隔離者的位置狀態，如隔離者超出隔離范圍則及時警告隔離者回到相應隔離區域.

針對重點用戶，通過佩戴智能手環的方式，不僅可以借助窄帶物聯網(NB-IoT)實時記錄并獲取用戶的位置信息、運動軌跡，還可以實時直接獲取用戶的體溫信息.如果發現用戶體溫異常，則在第一時間對該用戶采取一定的針對性措施.

1.2 主要功能

“隔離管家”系統，在針對疫區返回人員，特別是國外疫區歸國人員的隔離管理方面，具有以下兩方面的功能優勢：

1)軌跡記錄與上報.利用隔離者用戶端APP，可連續自動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的報告文件，可定時或手動將這些文件連同個人健康狀況報告上報管理員(或中心)，也可通過微信等即時通信軟件上報給有關部門人員.

智能手環可連續監測隔離者體溫、軌跡并實時上報，可對隔離者進行電子圍欄設定，佩帶者超出指定圍欄范圍，管理端則予以報警.

2)實時監控，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，可實現對隔離者的位置和活動軌跡實時連續監控，并對越過隔離警戒區的人員進行實時警告，必要時協調有關人員前往處置.該軟件還可實現對眾多隔離者信息及其異常情況的報表統計.

此外，“隔離管家”系統在適用于隔離者同時，做少許改動后，還可以適用于老人(兒童)和重大會議人員軌跡監控、體溫監測等方面.

“隔離管家”系統打破了傳統隔離管理中的人海戰術，不僅可以實現“一人對多人”管理方式，為企事業管理單位節約大量人力、物力成本的同時，還極大地降低了管理人員被感染的風險性，提高了信息匯集的及時性、高效性，為上級管理者能在第一時間獲取下級單位被隔離者的相關信息提供了數據支撐.

2 算法應用

為保證隔離者在使用“隔離管家”系統時的定位結果精度，減少誤報，系統以GNSS與網絡通信融合定位的方式來保證用戶位置信息的準確性[4].

GNSS定位技術在室外定位環境下的定位精度較高，精度可達到10 m 左右.國內外手機廠商芯片普遍都支持GPS和BDS[5]，當用戶手機能夠獲取其中任一導航系統4顆及以上的衛星信號時，即可通過衛星與用戶手機之間的距離建立三維方程組即可獲得用戶手機的位置坐標[6].

無線蜂窩網絡定位[7]是基于空間位置的一種定位技術，又稱作Cell-ID定位.通過檢測信號的特征測量值實現對移動臺的定位估計，主要分為以下3種方法：1)圓周定位法，通過測量從目標設備發出的信號以直線到達基站的時間T，可以計算目標設備在以哪個基站為中心的同心圓上，測量在一個基站的到達時間(TOA)[1]，以基站為中心，以計算出的距離為半徑，分別畫出三個圓，三個圓相交的位置就是目標設備的位置；2)雙曲線定位方法，即在TOA 基礎上延伸出到達時間差(TDOA)定位法[1]，即利用目標設備到達兩個基站的距離差形成雙曲線，以每兩個基站為一組，構成多組基站形成的雙曲線的交點便為目標設備的位置；3)方位測量定位方法，也稱為信號到達角度(AOA)定位方法，該方法通過基站接收機天線測出目標設備發射信號的入射角，從而形成一條接收機到目標設備的徑向連線，利用兩個或兩個以上接收機提供的AOA 測量值確定多條方位線的交點，即為目標設備的位置.

基于無線局域網的室內定位方法主要有2種[8]：1)指紋定位方法[9]，即在室內環境中某點接收到的無線接入點(AP)物理地址(MAC)及對應的信號強度為此點的無線指紋，因為不一樣位置接收到的信號不同，所以不一樣位置有不一樣的無線指紋.假如獲取一個包含室內各個位置無線指紋的數據庫，當需要定位時即可將已獲取的指紋與數據庫相比對，便獲得該位置的坐標；2)基于接收信號強度的定位法，根據獲取到的信號強度，利用傳輸模型和信號強度獲取節點與設備的傳輸距離，計算出該點的位置.

根據上述算法的特點，結合用戶使用場景的不同，本文將定位環境分為4種情況，如表1所示.

表1 GNSS與網絡通信融合定位方案

沒有無線網絡或者蜂窩網，GNSS任一系統衛星數量大于等于4顆，采用GNSS單獨定位；有無線網絡或者蜂窩網，但GNSS任一系統衛星數量小于4顆，采用GNSS和網絡組合定位；有無線網絡或蜂窩網，GNSS任一系統衛星數量大于等于4顆，網絡輔助GNSS定位；有網絡，無GNSS的情況下，采用網絡單獨定位[2].

3 系統設計與實現

首先，“隔離管家”系統采用MVC模式[10]進行開發，將業務邏輯、數據、界面顯示分別開發，通過相互之間調用預留接口，實現業務的運行，從而具備耦合性低、重用性高、部署快、生命周期成本低，可維護性高等特點[11].

其次，“隔離管家”系統依托“云計算平臺”+“負載均衡”+“信息安全等級保護”，提高了系統的穩定性、高并發處理能力與信息安全防護能力[12].

再次，“隔離管家”系統利用第三方接口服務(如Web服務API、高德地圖API)和第三方插件(如redis)，系統運行更加穩定、流暢.

“隔離管家”系統主要分為基礎層、數據層、服務層、應用層、交互層，如圖2所示.

圖2 “隔離管家”體系結構圖

3.1 基礎層

基礎層主要包括運行環境支撐、高并發處理、接入服務、信息安全保障、實時定位、網絡服務等功能.

運行環境支撐：該功能以“云計算平臺”為基礎[13]，是“隔離管家”系統中心服務運行所必需的操作系統環境，并提供計算、網絡、數據存儲、資源管理、應用發布功能服務.

高并發處理：該功能主要以NGINX 軟件負載均衡[14]為基礎，在現有網絡帶寬的基礎上提高了吞吐量，加強了網絡數據高并發處理能力，提高了網絡的靈活性和可用性.

接入服務：該功能以NB-IoT[15]為基礎，為智能手環等設備提供接入服務功能.

信息安全保障：“信息安全等級保護”通過邊界防護、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，為保護系統數據安全提供保障.

實時定位：該功能以GNSS和網絡定位服務為基礎，提供相關定位服務功能.

網絡服務：該功能以電信運營商提供的互聯網或4G 網絡為基礎，為用戶設備提供網絡服務功能.

3.2 數據層

主要包括數據存儲、數據管理、接口服務等功能[16].

數據存儲：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”分類存入相對應的庫中，保證數據存儲的完整性，數據庫表設計如表2所示.

表2 隔離者數據庫表設計

數據管理：通過增、刪、改、查等功能，保證了相關數據的時效性.

接口服務：通過調用數據庫接口，實現前端與數據庫的可交互性.

3.3 服務層

主要包括Web服務、地理信息顯示、消息服務、融合定位等功能.

Web服務功能：通過調用Web API服務接口，實現前端界面與后臺服務之間的數據交互，從而實現用戶登錄、用戶注冊等功能.

地理信息顯示功能：通過調用高德地圖API服務接口，實現用戶位置顯示、軌跡展示等功能.

消息服務功能：通過調用第三方插件redis，實現交互信息的流轉、消息發布、消息訂閱等功能.

融合定位功能：調用封裝后的融合定位算法庫，實現用戶的精確定位功能.

3.4 服務層

根據不同功能定位，“隔離管家”系統主要分為隔離者子系統、管理者子系統、中心服務子系統，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用場景下，系統的主要展現形式.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.系統針對不同用戶的不同應用場景與應用模式，提供豐富的交互方式.

3.6 系統部署與實施

山東省青島市城陽區夏莊街道天泰城社區是目前青島市最大的綜合性的城市社區，共有9個住宅小區，常住人口6 900戶，4萬余人.針對周邊外資企業較多，在此居住的外籍人士也較多的特點，開發團隊成員主動與社區管理人員接洽，上門為管理人員免費安裝試用“隔離管家”系統.

試用隔離人員和社區管理員實現“零接觸”，借助掃描二維碼下載APP軟件(Android 或IOS)，各自安裝與其手機操作系統.社區管理員可以通過管理者用戶端實時查看隔離者的活動軌跡、體溫狀況，同時管理人員可以根據管理規定需要，為每個隔離者設定隔離期，在PC管理端可以集中匯總社區內所有隔離者的相關信息.

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，打開手機定位功能，點擊開始隔離，系統自動顯示隔離者剩余的隔離時間和隔離圈.點擊“上報隔離期信息”，系統跳轉到“上報隔離期信息”界面.隔離者填報完體溫等身體健康信息后，系統會自動獲取并連同運動軌跡等一起上傳至云服務器.

圖4 隔離者用戶端上報功能界面

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

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動軌跡、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動軌跡、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 結論

本文結合當前疫情防控的形勢，開發出一款“基于GNSS與網絡通信融合定位的隔離者管理系統”，即“隔離管家”系統，詳細地闡述了系統的應用模式、工作原理、算法依據、模塊功能、系統組成以及具體實現途徑，并在相關社區進行推廣試驗，具有一定的先進性與代表性.

國內疫情防控工作趨于平穩，防控工作的重點已經轉移至境外人員輸入方面.如何加強對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”為企事業單位、街道、區(縣)、市及以上行政部門打造了一個一體化的疫情防控管理平臺，為實現聯防聯控機制，堅決遏制疫情蔓延勢頭，提供了一個可靠的服務保障平臺，為后期管理者的決策分析、追根溯源、疫情形勢研判等，提供了可靠的數據支撐，為政府和社會節約了大量的公共資源.