一种保护隐私的疫情防控预警与追溯系统及方法
技术领域
本发明涉及病毒防控领域的患者密切接触人员追溯问题，使用患者的相关信 息对疫情可能的传播范围进行分析，对密切接触者进行预警通知，信息上报，实 现最小化以至于零感染的目标。
背景技术
对于传播能力、潜伏性较强，传播危害较大的病毒，切断其传染链是一个十 分有效的防控方式。但是由于其潜伏期较长，并且潜伏期期间也有传播能力，患 者通常是发病后才被隔离。从感染病毒到症状显现时间段内的接触者追溯通常依 靠患者的口述信息，其中存在许多记忆不完整，描述遗漏问题，导致密切接触者 难以发现。密切接触者通常在不知情的情况下被感染，未表现出症状前，在没做 好隔离工作的情况下可能会感染更多人员。这种情况下疫情预警与追溯系统可以 在患者表现症状并被收治后对相关密切接触人员预警，直接上报风险较高人员的 基本信息，供疾控部门进一步处理。利用上述处理方式可以查找出病毒可能的传 播链，及时控制可能的传播链，减少进一步的损失。
目前手机等便携式WIFI设备的定位系统主要依靠三种方式：一是手机等便 携式WIFI设备内的卫星定位天线接收GPS定位系统、北斗定位系统等定位系统 的信号进行定位；二是利用手机等便携式WIFI设备接收的基站信号查询基站的 位置信息实现定位；三是利用已知的WIFI信号的位置信息实现WIFI辅助定位(其 原理与基站定位的原理类似)，该方式是在WIFI信号位置已经共享的条件下进 行的。这三种定位方式的定位精度：卫星定位精度>基站定位精度>WIFI辅助定 位精度。同时这些定位通常存在10-20米的定位误差，并且卫星定位方式在地铁 等地下设施中无法进行定位，设备的定位误差可能进一步增大，无法判断是否存 在密切接触，用于疫情防控与追溯时难以获取较为精确的统计数据。
WIFI的IEEE802.11协议集中包含Probe Request帧，使用该协议的WIFI 设备会主动发送Probe Request帧，该Probe Request帧携带着设备的MAC地址， WIFI信号强度等信息。当WIFI网卡开启monitor模式后，可以监控信号可探测 范围内的所有WIFI设备的MAC地址、WIFI信号强度等等信息。手机等便携式WIFI 设备中的WIFI芯片开启monitor模式后可以记录周围所有WIFI设备的MAC地址 信息，该地址信息可以唯一确定一个设备。此外还可以记录WIFI设备到本机的 信号强度，通过这一参数可以获取较为精确的相对距离信息，判断是否存在近距 离接触，通过信息记录的时间戳差值还可以计算接触时间。
健康码技术在大数据的基础上将用者的病毒携带风险等级进行了分类，但是 该技术并未实现疫情的追溯功能，并且还依赖于使用者的主动信息上报，存在一 定的缺陷。
发明内容
本发明利用手机等便携式智能WIFI联网设备设计了一种疫情防控中的追溯 与预警系统。如图2时序图所示，系统利用手机等便携式智能WIFI联网设备收 集电子支付位置接口、乘车信息接口的信息，并且通过WIFI Probe技术记录附 近人员的手机等便携式智能WIFI联网设备的MAC地址和信号强度，计算与附近 人员的相对距离信息。通过手机等便携式智能WIFI联网设备的定位功能，包括 但不限于卫星定位、基站定位、WIFI辅助定位等功能定位设备的绝对位置信息。 若数据收集时间与当前时间差超过病毒的潜伏期，并且设备拥有者没有出现患病 症状，则删除过期数据，并继续收集新的数据。若出现患病症状，则将设备中保 存的活动轨迹信息以匿名方式上传到疫情防控服务器，并和患者主动上报的口述 信息整合。疫情防控服务器向其余用户推送该信息，所有接收到该信息的设备对 自身的数据进行比对，判断自身数据的绝对位置与患者数据的绝对位置是否有重 合并且相对位置十分接近的情况。当出现这种情况时，则判断当前设备拥有者是 密切接触者，对其进行告警通知。设备根据与患者的接触的密切程度(距离远近， 时间长短)信息对设备拥有者感染可能性进行等级划分，如果感染风险较高，则 自动向疾控部门上报基本信息，疾控部门可以进一步的进行诊断与评估，追溯所 有高风险人群。
本发明提出的一种疫情防控预警与追溯系统，包括：数据采集与存储模块、 信息整合模块、匿名信息公告模块、风险判别与处理模块；
所述数据采集与存储模块负责位置信息的收集与保存，其包括四个功能模块， 分别是电子支付信息采集保存模块，乘车信息采集保存模块，信号强度信息采集 保存模块，定位信息采集保存模块；
所述信息整合模块负责在用户被确诊病毒感染后将数据采集与保存模块的 数据和患者的口述信息相整合，删除冗余信息；
所述匿名信息公告模块负责对患者的数据进行清洗、可视化展示，然后向所 有系统的使用者推送当前患者的匿名信息，包括患者的活动轨迹信息，设备的 MAC地址信息；
所述风险判别与处理模块负责接收患者信息的推送，将患者的设备MAC地址 和轨迹信息与自身保存的接触者的设备MAC地址和轨迹信息比对，根据有无接触 和接触距离、接触时长信息判断当前设备拥有者的被感染风险等级，如果存在被 感染的可能性，就向设备拥有者发出告警信息；如果判断是密切接触人员，被感 染风险极高时，设备自动向疫情防控服务器发送设备拥有者的基本信息。
本发明所述信息整合模块将患者口述的记忆信息输入数据库，并通过接口 转换成经纬度信息；将支付位置信息表、定位信息表和转化后的口述信息表的经 度、纬度和时间列整合生成一张信息整合表。
本发明所述信息整合模块的功能除将数据采集与存储模块的信息上传之外， 均运行于疫情防控服务器。
本发明中，未感染的用户记录的所有数据加密保存在本地，保存时间超出病 毒潜伏期的数据将被删除。
基于以上系统，本发明还提出了一种疫情防控预警与追溯方法，包括以下步 骤：
S1.采集数据并生成支付位置信息表、乘坐交通工具信息表、WIFI Probe探 测信息表、定位信息表；定期检查各信息表的数据，若数据保存时长超过病毒的 潜伏期时长，则删除相关数据条目；
S2.从患者录入的活动轨迹信息中提取关键信息生成记忆口述信息表，将其 与支付位置信息表、乘坐交通工具信息表、MAC地址信息和定位信息表的信息一 同上传至疫情防控服务器，整合生成一张信息整合表；
S3.对信息整合表中的数据进行数据清洗，患者的信息整合表的经纬度和时 间戳信息标注在地图上，进行可视化展示，然后将记忆口述信息表的活动轨迹展 示在公告板；将患者的信息整合表、乘坐交通工具信息表和MAC地址信息表向除 患者以外的用户推送；
S4.如果用户存在已经被感染的风险，则风险告警模块自动向该用户发出被 感染风险告警；如果用户是密切接触者，已经被感染的风险为高风险，则风险上 报模块自动向疫情防控服务器发送该用户的基本信息。
本发明中，所述步骤S1包括：
步骤S101.每隔固定时间，电子支付信息采集保存模块利用第三方支付平台 的接口获取电子支付的信息，将电子订单的所在店铺的经度坐标和纬度坐标以及 支付的时间保存到支付位置信息表；
步骤S102.每隔固定时间，乘车信息采集保存模块利用接口查询获取用户乘 坐的车辆、车次、座位号信息，保存到乘坐交通工具信息表；
步骤S103.使用WIFI Probe实时记录周围设备的MAC地址、信号强度信息与 时间戳信息，保存到WIFI Probe探测信息表；
步骤S104.使用卫星定位、基站定位、WIFI辅助定位方式获取设备的经纬度 信息、时间戳信息，并且保存到定位信息表；
步骤S105.定期检查数据库的每个表，利用当前时间减数据保存的时间得到 数据保存的时长，如果数据保存时长超过病毒的潜伏期时长，则删除数据库中的 相关数据条目。
本发明中，所述步骤S2包括：
S201.将数据采集与存储模块的信息包括支付位置信息表、乘坐交通工具信 息表、MAC地址信息和定位信息表的信息分别上传到疫情防控服务器；
S202.疾控中心督促患者手动录入活动轨迹信息，提取口述信息中的关键信 息如活动时间、活动地点、密切接触人，得到记忆口述信息表，上传到疫情防控 服务器；该服务器使用地图接口，将活动地点信息转换成经纬度坐标；
S203.将支付位置信息表、定位信息表和转化后的口述信息表的经度、纬度 和时间列整合生成一张信息整合表，并删除部分冗余信息。
本发明中，所述步骤S3包括：
S301.以信息整合表中的时间戳信息为排序依据，将所有信息按时间升序排 列，删除序列中离群值较大的经纬度坐标；然后使用Kmeans算法对信息整合表 中的数据聚类，K值设置为信息整合表的数据项条数/n，n值是需要对数据数量 缩放的倍数，n值越大，聚类后的数据点的数量越少；接着将聚类后的患者的信 息整合表的经纬度和时间戳信息标注在地图上，进行可视化展示，然后将记忆口 述信息表的活动轨迹展示在公告板；
S302.将患者的未聚类的信息整合表、乘坐交通工具信息表和MAC地址信息 表向除患者以外的所有使用该系统的用户推送。
本发明中，所述步骤S4包括：
S401.接收信息推送模块推送的患者的信息整合表、乘坐交通工具信息表和 MAC地址信息，对每个信息表按照时间戳升序排序；
S402.将患者的信息整合表与当前用户的信息整合表的相同时间范围内信息 条目分组，每个组内使用Haversine公式计算两用户之间的球面距离：
其中，
S403.将患者的乘坐交通工具信息表与当前用户的乘坐交通工具信息表进行 比对，查找是否出现同乘一个班次的交通工具的情况，若出现且座位号距离较远， 设置为低风险；若出现且座位号距离较近则设置为高风险；
S404.查询设备保存的MAC地址中是否存在患者的设备MAC地址，如果存在 则利用信号强度将风险分为三个等级；再根据时间戳的差值信息判断存在密切接 触的情况，时间戳的差值越大接触时间越长，如果存在密切接触的情况则将被感 染风险等级设置为高风险；
S405.如果设备拥有者存在已经被感染的风险，则风险告警模块自动向该拥 有者发出被感染风险告警；
S406.如果设备拥有者是密切接触者，已经被感染的风险为高风险，则风险 上报模块自动向疫情防控服务器发送该设备拥有者的基本信息。
本发明使用多源数据作为风险评定因素，将乘车信息与电子支付信息接入， 利用第三方平台的地址信息，将其转换成轨迹信息，进一步辅助轨迹判定。除了 利用传统的定位方式如卫星定位、基站定位、WIFI辅助定位确定绝对位置，实 现轨迹比对外，本发明还使用了WIFI Probe技术记录周围人员的设备MAC地址 与WIFI信号强度信息。该技术只需保持设备的WIFI为开启状态，不需要连接即 可记录其他设备的MAC地址与信号强度，可以在较小范围内确定两个持有设备的 人是否进行过近距离接触，从而实现较为准确的密切接触统计。
本发明相比于已有的利用大数据的疫情辅助防控方式如健康码等有以下创 新：
本发明使用多源数据进行风险评估、风险告警、风险上报，具有更高的可靠 性、准确性。
本发明使用WIFI Probe技术记录周围人员的设备MAC地址信息判断两个用 户之间是否产生过接触，通过WIFI信号的强弱判断产生接触的距离信息。仅收 集周围用户的设备MAC地址信息和WIFI信号强度并不会泄露周围用户的信息， 并且该信息仅保存在用户本机，保存一段时间(病毒的潜伏期)，即使设备被黑 客攻击也不会造成数据信息的大规模的泄露。此外还利用了多源数据，增强了系 统的可靠性与准确性。
附图说明
图1保护隐私的疫情防控与追溯系统模块图。
图2保护隐私的疫情防控与追溯系统时序图。
图3保护隐私的疫情防控与追溯系统活动图。
图4支付位置信息表。
图5乘坐交通工具信息表。
图6WIFI Probe探测信息表。
图7定位信息表。
图8记忆口述信息表。
图9信号强度与风险等级转换表。
具体实施方式
结合以下具体实施例和附图，对发明作进一步的详细说明。实施本发明的过 程、条件、实验方法等，除以下专门提及的内容之外，均为本领域的普遍知识和 公知常识，本发明没有特别限制内容。
本发明是一个疫情防控追溯系统，分成四大模块，如图1所示，包括：
S1.数据采集与存储模块。数据采集与存储模块主要负责位置信息的收集与 保存，包括四个功能模块，分别是电子支付信息采集保存模块、乘车信息采集保 存模块、WIFIProbe信息包括设备的MAC地址、信号强度信息采集保存模块， 卫星定位、基站定位、WIFI辅助定位信息采集保存模块。
其步骤如下：
步骤S101.每隔固定时间，电子支付信息采集保存模块利用第三方支付平台 的接口获取电子支付的地点信息并保存到本地数据库。
步骤S102.每隔固定时间，乘车信息采集保存模块利用接口查询获取乘坐的 车辆，车次，乘车时间信息保存到本地数据库。
步骤S103.使用WIFI Probe实时记录周围设备的MAC地址、信号强度信息 与时间戳信息，保存到本地数据库。
步骤S104.使用卫星定位、基站定位、WIFI辅助定位等定位方式获取设备的 位置信息和时间戳信息，并且保存到本地数据库。
步骤S105.定期检查数据库的每个表，利用当前时间减数据保存的时间得到 数据保存的时长，如果数据保存时长超过病毒的潜伏期时长，则删除数据库中的 相关数据条目。
S2.信息整合模块。信息整合模块负责在用户被确诊病毒感染后将数据采集 与保存模块的数据和患者的口述信息相整合，删除冗余信息。首先将患者口述的 记忆信息输入数据库，然后通过接口转换成经纬度信息。然后将支付位置信息表、 定位信息表和转化后的口述信息表的经度、纬度和时间列整合生成一张信息整合 表。
其步骤如下：
S201.数据采集与存储模块的信息上传到疫情防控服务器。
S202.疾控中心督促患者手动录入活动轨迹信息，提取口述信息中的关键信 息如活动时间、活动地点、密切接触人，得到如图8所示的记忆口述信息表，上 传到疫情防控服务器。该服务器使用地图接口，将活动地点信息转换成经纬度坐 标。
S203.将口述提取信息与数据采集模块的信息相整合，删除部分冗余信息， 然后传输到匿名信息公告模块。
S3.匿名信息公告模块。匿名信息公告模块负责处理信息整合模块的信息， 对数据进行清洗、可视化展示、向所有系统的使用者推送当前患者的匿名信息， 包括位置信息，设备的MAC地址信息等等。
其步骤如下：
S301.接收信息整合模块的信息，进行数据清洗与处理，将患者的活动轨迹 标记在地图上，进行可视化展示。
S302.将患者的设备MAC地址信息、活动轨迹信息向所有系统的使用者推送。
S4.风险判别与处理模块。该模块负责接收患者信息的推送，将患者的设备 MAC地址和轨迹信息与自身保存的接触者的设备MAC地址和轨迹信息比对，根据 有无接触和接触距离、接触时长等信息判断当前设备拥有者的被感染风险等级， 如果存在被感染的可能性，就向设备拥有者发出告警信息，使其尽早隔离，减少 可能的传播风险。如果判断是密切接触人员，被感染风险极高时，设备自动疫情 防控服务器发送设备拥有者的基本信息，使疾控中心能尽早对其检测与诊断，切 断病毒传播。
其步骤如下：
S401.接收信息推送模块推送的患者的设备MAC地址信息以及活动轨迹信息， 并对本设备轨迹信息和患者的轨迹信息聚类处理，降低计算复杂度。
S402.查询设备保存的MAC地址中是否存在患者的设备MAC地址，如果存在 则提升该设备所有者的被感染风险等级。再利用根据信号强度记录的距离和时间 戳的差值信息判断存在密切接触的情况，如果存在密切接触的情况则将被感染风 险等级设置未最高。
S403.计算患者与该设备拥有者的轨迹聚类，计算聚类后的轨迹距离和相似 度。若出现相同时间距离较近或轨迹相似度较高的情况，将设备拥有者的被感染 风险等级提升。
S404.如果设备拥有者存在已经被感染的风险，则风险告警模块自动向该拥 有者发出被感染风险告警。
S405.如果设备拥有者是密切接触者，已经被感染的风险等级较高，则风险 上报模块自动疫情防控服务器发送该设备拥有者的基本信息，以供疾控部门快速 掌控密切接触者信息。
本发明设计了一种利用手机等支持WIFI便携式设备记录信息，实现疫情发 生后的感染者密切接触人员追溯与告警系统，它具备以下特点：
本发明所利用的信息，包括轨迹信息、乘车信息、电子支付信息、WIFI设备的 MAC地址与信号强度等等信息通常仅保留在自身的设备中，只有在确诊病毒感染 后，才对信息进行匿名共享帮助查找密切接触者，可以保证用户的隐私安全。
实施例
本发明公开了一种疫情预警追溯系统，该系统利用便携式WIFI设备收集与 个人活动轨迹有关的信息，当用户确诊病毒感染后，将个人活动轨迹、唯一标识 等信息共享，实现所有用户的设备自动判断自身是否与患者产生密切接触，如果 可能被感染的风险较高，就自动向疾控部门上报信息，实现疫情防控中的密切接 触者追溯。
为了清晰的描述疫情预警追溯系统，本发明提供了该系统的模块图如图1， 时序图如图2和活动图如图3。其中，模块图描述了系统的功能模块划分，时序 图描述了系统的执行过程的顺序信息。在活动图中，本发明将系统的对象分成四 种，病毒感染用户、普通用户、医疗机构和疫情防控服务器。病毒感染用户和普 通用户的主要活动是信息采集与保存。病毒感染用户被诊断感染后，整合口述信 息、轨迹与设备MAC地址信息并上传到疫情防控服务器。疫情防控服务器对患者 信息公告与可视化展示后向其余普通用户推送患者的轨迹与MAC地址信息。普通 用户设备将患者信息与自己的设备保存信息对比，进行风险判别，存在风险时进 行风险告警，如果风险较高，则向疫情防控服务器风险上报，疫情防控服务器通 知疫情防控人员对其进行进一步处理，例如进行检测或进行医疗诊断。
系统的具体实施方式如下：
S1.数据采集与存储模块是用户设备端模块，该模块分别利用电子支付信息 采集保存模块、乘车信息采集保存模块、WIFI Probe信息(包括设备的MAC地 址，信号强度信息)采集保存模块，卫星定位、基站定位、WIFI辅助定位信息 采集保存模块记录用户的活动轨迹信息。
其步骤如下：
步骤S101.每隔固定时间，电子支付信息采集保存模块利用第三方支付平台 的接口获取电子支付的信息，将电子订单的所在店铺的经度坐标和纬度坐标以及 支付的时间保存到如图4所示的本地数据库的支付位置信息表。
步骤S102.每隔固定时间，乘车信息采集保存模块利用接口查询获取用户乘 坐的车辆、车次、座位号信息，保存到如图5所示的本地数据库的乘坐交通工具 信息表。
步骤S103.使用WIFI Probe实时记录周围设备的MAC地址、信号强度信息 与时间戳信息，保存到如图6所示的本地数据库WIFI Probe探测信息表。
步骤S104.使用卫星定位、基站定位、WIFI辅助定位等定位方式获取设备的 经纬度信息、时间戳信息，并且保存到如图7所示的本地数据库定位信息表。
步骤S105.定期检查本地数据库的每个表，利用当前时间减数据保存的时间 得到数据保存的时长，如果数据保存时长超过病毒的潜伏期时长，则删除数据库 中的相关数据条目。
S2.信息整合模块负责在用户被确诊病毒感染后将数据采集与保存模块的数 据和患者的口述信息相整合，删除冗余信息。首先将患者口述的记忆信息输入数 据库，然后通过接口转换成经纬度信息。然后将支付位置信息表、定位信息表和 转化后的口述信息表的经度、纬度和时间列整合生成一张信息整合表。该模块的 功能除将数据采集与存储模块的信息上传之外，都运行于疫情防控服务器。
其步骤如下：
S201.将数据采集与存储模块的信息包括支付位置信息表、乘坐交通工具信 息表、MAC地址信息和定位信息表的信息分别上传到疫情防控服务器。
S202.疾控中心督促患者手动录入活动轨迹信息，提取口述信息中的关键信 息如活动时间、活动地点、密切接触人，得到如图8所示的记忆口述信息表，上 传到疫情防控服务器。该服务器使用地图接口，将活动地点信息转换成经纬度坐 标。
S203.将支付位置信息表、定位信息表和转化后的口述信息表的经度、纬度 和时间列整合生成一张信息整合表(该表与定位信息表格式相同，包含经度列、 纬度列、时间戳列)，并删除部分冗余信息。
S3.匿名信息公告模块是疫情防控服务器的功能模块,负责对患者的数据进 行清洗、可视化展示，然后向所有系统的使用者推送当前患者的匿名信息，包括 患者的活动轨迹信息，设备的MAC地址信息等等。
其步骤如下：
S301.接收信息整合模块的处理后的信息(包括信息整合表、乘坐交通工具 信息表和WIFI Probe探测信息表)，对信息整合表中的数据进行数据清洗。以 信息整合表中的时间戳信息为排序依据，将所有信息按时间升序排列，删除序列 中离群值较大的经纬度坐标。然后使用Kmeans算法对信息整合表中的数据聚类， K值设置为信息整合表的数据项条数/n，n值是需要对数据数量缩放的倍数，n 值越大，聚类后的数据点的数量越少。接着将聚类后的患者的信息整合表的经纬 度和时间戳信息标注在地图应用上，进行可视化展示，然后将记忆口述信息表的 活动轨迹文字信息展示在平台公告板。
S302.将患者的信息整合表(未聚类)、乘坐交通工具信息表和MAC地址信 息表向除患者以外的所有使用该系统的用户推送。
S4.风险判别与处理模块是用户设备端的模块。该模块负责接收患者信息的 推送，将患者的设备MAC地址和轨迹信息与自身保存的接触者的设备MAC地址和 轨迹信息比对，根据有无接触和接触时的距离和接触时间长度等信息判断当前设 备拥有者的被感染风险等级，如果存在被感染的可能性，就向设备拥有者发出告 警信息，使其尽早隔离，减少可能的传播风险。如果判断是密切接触人员，被感 染风险极高时，设备自动向疫情防控服务器发送设备拥有者的基本信息，使疾控 中心能尽早对其检测与诊断，切断病毒传播。
其步骤如下：
S401.接收信息推送模块推送的患者的信息整合表、乘坐交通工具信息表和 MAC地址信息，对每个信息表按照时间戳升序排序。
S402.将患者的信息整合表与当前用户的信息整合表的相同时间范围内信息 条目分组，每个组内使用Haversine公式计算两用户之间定位的球面距离。
其中
S403.将患者的乘坐交通工具信息表与当前用户的乘坐交通工具信息表进行 比对，查找是否出现同乘一个班次的交通工具的情况，若出现且座位号距离较远， 设置为低风险；若出现且座位号距离较近则设置为高风险。
S404.查询设备保存的MAC地址中是否存在患者的设备MAC地址，如果存在 则利用信号强度将风险分为如图9信号强度与风险等级转换表所示的三个等级。 再根据时间戳的差值信息判断存在密切接触的情况，时间戳的差值越大接触时间 越长，如果存在密切接触的情况则将被感染风险等级设置为高风险。
S405.如果设备拥有者存在已经被感染的风险，则风险告警模块自动向该拥 有者发出被感染风险告警。
S406.如果设备拥有者是密切接触者，已经被感染的风险为高风险，则风险 上报模块自动向疫情防控服务器发送该设备拥有者的基本信息，以供疾控部门快 速掌控密切接触者信息。
本发明公开了一种保护隐私的疫情防控预警与追溯系统，包括数据采集与保 存模块、信息整合模块、匿名信息公告模块、风险判别与处理模块。本发明使用 WIFI Probe技术记录周围人员的设备MAC地址信息判断两个用户之间是否产生 过接触，通过WIFI信号的强弱判断产生接触的距离信息，通过记录的时间戳差 值判断接触时长。除此之外使用电子支付接口、乘车信息接口、定位信息等多源 数据辅助风险判别，提升数据的可靠性。本发明将匿名推送患者的数据到其他用 户的设备，利用其他用户设备的数据和患者数据分别对比判断是否与患者存在密 切接触情况。存在被感染风险时向用户告警，风险较高时向疫情防控服务器上报， 以供疾控中心进一步处理。
本发明的保护内容不局限于以上实施例。在不背离发明构思的精神和范围下， 本领域技术人员能够想到的变化和优点都被包括在本发明中，并且以所附的权利 要求书为保护范围。
