基于TRIZ理論的ATM機創(chuàng)新研究

董曉紅，金文娟

(哈爾濱商業(yè)大學金融學院，哈爾濱150028)

隨著我國金融電子化建設的深入發(fā)展和客戶對銀行服務質(zhì)量要求的提高，自動柜員機在金融行業(yè)的應用越來越廣泛，然而，新事物帶給人們方便快捷的同時也為一些不法分子提供了可乘之機，生活中經(jīng)常發(fā)生一些利用自動柜員機進行詐騙和盜竊的行為，如最近出現(xiàn)的銀行卡復制器，它是一種能將銀行卡卡內(nèi)信息、密碼等記錄并發(fā)送到不法分子手里的接收器中的電子器械，不法分子利用這些信息制作出克隆卡從而取走大量資金，這使得傳統(tǒng)的ATM機上密碼認證的身份識別技術(shù)暴露出許多不足[1－6]，鑒于這種情況，基于 TRIZ 理論，我們對傳統(tǒng)的ATM機進行創(chuàng)新設計，在原有的系統(tǒng)中加入聲場，持卡人預先在開戶行錄入的聲音文本，經(jīng)過聲音預處理系統(tǒng)后提取特征參數(shù)，建立聲音模板庫，形成語音識別系統(tǒng).持卡人在操作過程中需說出口令以便和模板庫中的聲紋進行對比，從而判斷是否為本人操作[7－9].并在 ATM 機外圍安裝有感應作用的隔音玻璃，既阻止了身份識別中聲音口令的擴散，又能起到安全隔離線的作用.再者，這種新型的ATM機還配有特制的錄音器，持卡人第一次在開戶行錄入聲音文本時將提取的特征參數(shù)經(jīng)過特殊處理嵌入錄音器中，這樣在下次錄制聲音時錄音器會有記憶，若非本人操作，錄音器會自動發(fā)生警報聲.這些新型的設計都將有效降低密碼被盜、信息泄露的風險.

1 傳統(tǒng)ATM機的問題描述

傳統(tǒng)ATM機的身份識別部分工作原理圖如1所示.

圖1 傳統(tǒng)ATM機的身份識別部分工作原理

當持卡人想在傳統(tǒng)的ATM機上進行業(yè)務操作時，需先通過鍵盤輸入數(shù)字密碼，系統(tǒng)通過電機驅(qū)動、動力傳輸、傳感器等裝置將數(shù)字密碼信號運送到執(zhí)行系統(tǒng)部分，系統(tǒng)識別到正確的密碼后進行相應的變化方可進入下一步操作.然而最大的安全隱患存在于密碼輸入過程中.一些不法分子在銀行自動柜員機隱蔽不易被察覺的地方安裝銀行卡復制器、針孔攝像頭等微型電子設備，用戶在自動柜員機上進行業(yè)務操作通過鍵盤手動輸入密碼時容易被一些設備竊取，根據(jù)竊取的信息制作出克隆卡進行作案;這種安全隱患的存在使得許多人不敢輕易在ATM機上進行業(yè)務操作而只能去銀行柜面，導致的結(jié)果是銀行經(jīng)常人滿為患.而且，這種通過鍵盤手動輸入密碼的操作方式，當用戶臨時有事或因腿腳不便不能親自到達現(xiàn)場時，業(yè)務將無法進行.有些年老的用戶或銀行卡比較多的工作人士容易忘記自己的密碼，這些都給人們帶來很多不便.

2 應用TRIZ原理的創(chuàng)新設計

2.1 設計要求

新型的ATM機要求在操作過程中確保身份識別時的密鑰安全不易被竊取;持卡人臨時有事或有行動不便的老人到達不了現(xiàn)場時可由本人指定的人代辦業(yè)務，而且要求卡內(nèi)信息不能被第三人復制;持卡人不用刻意去記自己設置的密碼.用什么方法既可以使持卡人能順利的完成操作又不會使密碼泄露，既在臨時有事時可以讓他人代辦業(yè)務還能避免被第三人復制卡內(nèi)信息，也能省去背密碼之苦呢?在這個思考過程中，TRIZ理論給了我們很大的啟發(fā).

TRIZ理論與傳統(tǒng)的創(chuàng)新方法相比，具有自身鮮明的特點和優(yōu)勢.它成功地揭示了創(chuàng)造發(fā)明的內(nèi)在規(guī)律和原理，并能快速地確認和解決系統(tǒng)中存在的矛盾.它是基于技術(shù)的發(fā)展進化規(guī)律來研究整個產(chǎn)品的發(fā)展過程，而不再是一種隨機的創(chuàng)新行為，因而大大加快了發(fā)明創(chuàng)造的進程，提升了產(chǎn)品的創(chuàng)新水平.現(xiàn)代TRIZ理論體系主要包括以下幾個方面內(nèi)容:

1)創(chuàng)新思維方法與問題分析方法.TRIZ理論中提供了如何進行系統(tǒng)分析問題的科學方法，如多屏幕法;對于復雜問題的分析，則包含了科學的問題分析建模方法——物場分析法，它可以快速確認核心問題，發(fā)現(xiàn)根本矛盾.

2)技術(shù)系統(tǒng)進化法.針對技術(shù)系統(tǒng)進化演變規(guī)律，在大量專利分析的基礎上TRIZ理論總結(jié)出八個基本進化法則.利用這些進化法則，可以確認分析當前產(chǎn)品的技術(shù)狀態(tài)，預測未來發(fā)展趨勢，并開發(fā)出富有競爭力的新產(chǎn)品.

3)技術(shù)矛盾解決原理.不同的發(fā)明創(chuàng)造往往遵循相同的規(guī)律原則.TRIZ理論將這些共同的規(guī)律歸納成40個創(chuàng)新原理，針對具體的技術(shù)矛盾，基于這些創(chuàng)新原理、結(jié)合實際情況尋求具體的解決方案.

4)創(chuàng)新問題標準解法.針對具體問題物場模型的不同特征，分別對應標準模型處理方法，包括模型的修整、轉(zhuǎn)換、物質(zhì)與場的添加等.

本論文設計的新型ATM機中運用到物場模型、物理矛盾、技術(shù)矛盾、多屏幕分析、系統(tǒng)完備性法則、金魚法、最終理想解、系統(tǒng)內(nèi)部資源等方法.

2.2 應用TRIZ理論中物場模型法解決問題

傳統(tǒng)的ATM機中以鑲有磁條的銀行卡作為中介工具，在系統(tǒng)內(nèi)磁場中發(fā)揮效用，期間用以身份識別的數(shù)字密碼易泄露或被盜取，安全性低，屬于效應不足的物場模型，我們的改進方法是:在原有的磁場的基礎上引入新的場—聲學場，如圖4所示.

圖2 ATM改進圖

持卡人在操作過程中不是以在鍵盤上輸入數(shù)字密碼為識別依據(jù)，而是通過安裝在機身的語音導入器導入聲音口令，進而和系統(tǒng)聲音模板庫中的聲紋進行匹配，從而達到識別作用.具體設計與原理:聲音識別系統(tǒng)的核心是聲紋，聲紋是指說話人語音頻譜的信息圖.由于每個人的發(fā)音器官不同，因而所發(fā)出的聲音及音頻各不相同，因此，聲紋作為基本特征來實現(xiàn)人的身份識別具有不可替代性和穩(wěn)定性.利用聲卡DSP技術(shù)，把聲音作為聲卡數(shù)據(jù)采集的對象，搭建一種基于聲卡的虛擬數(shù)據(jù)采集和分析系統(tǒng)，實現(xiàn)聲音識別.這里所說的聲卡DSP技術(shù)是一種獨特的微處理器，是以數(shù)字信號來處理大量信息的器件.其工作原理是接收模擬信號，轉(zhuǎn)換為0或1的數(shù)字信號.再對數(shù)字信號進行修改、刪除、強化，并在其他系統(tǒng)芯片中把數(shù)字數(shù)據(jù)解譯回模擬數(shù)據(jù)或?qū)嶋H環(huán)境格式的技術(shù).

聲音識別系統(tǒng)的工作一般分為兩個過程:訓練過程和識別過程.無論訓練過程還是識別過程，首先都需要對輸入的原始語音信號進行預處理，如采樣、量化、預加重和加窗等處理，以實現(xiàn)語音特征的提取功能.在訓練過程中，通過持卡人到開戶行預先輸入聲音文本，經(jīng)過聲音預處理系統(tǒng)后再通過特征信號提取系統(tǒng)，提取出能表征說話人身份的特征參數(shù)，再利用提取出的特征序列根據(jù)一定的數(shù)學算法為說話人建立聲音模板庫.將系統(tǒng)安裝于ATM機.新型的ATM機使用“靈巧卡片”，看上去就像普通銀行卡，但不使用磁條，而是用迭片微處理機和存儲芯片代替塑料殼內(nèi)的磁條，為了應用ATM機上的業(yè)務，在識別過程中，客戶必須說出口頭指令或短語，然后把它和聲音識別系統(tǒng)中的聲音模板庫中的聲紋進行比較，從而根據(jù)匹配結(jié)果判斷進行操作的人是否為本人.

2.3 應用TRIZ理論解決物理矛盾的設計

物理矛盾是技術(shù)系統(tǒng)中最本質(zhì)的矛盾，也即問題的核心部分.解決物理矛盾的方案，是能更高效解決問題的方案.通俗的講，物理矛盾是對同一參數(shù)有兩個不同的要求.本問題中新型的ATM機要求既要識別本人的操作，又不能識別他人的操作;既要本人不能到現(xiàn)場時聲音可以被錄制，又不能讓非法分子錄制口令進行作案.這些物理矛盾可以用TRIZ理論的4大分離原理解決，即:空間分離、時間分離、條件分離、系統(tǒng)分離.

1)空間分離原理:將矛盾雙方在不同的空間分離，空間分離以降低解決問題的難度.當系統(tǒng)矛盾雙方在某一空間出現(xiàn)一方時，空間分離是可能的.TRIZ理論中空間分離的創(chuàng)新原理有:分割、抽取、局部質(zhì)量、增加不對稱性、嵌套、逆向思維、一維變多維、中介物、復制、柔性外殼或薄膜.本設計可從空間分離中的復制、中介物、嵌套原理解決存在的矛盾.

運用復制原理，可以將聲音復制到聲卡，利用聲卡DSP技術(shù)，搭建一種基于聲卡的虛擬數(shù)據(jù)采集和分析系統(tǒng)，經(jīng)過聲音預處理系統(tǒng)后再通過特征信號提取系統(tǒng)，提取出能表征說話人身份的特征參數(shù)，再利用提取出的特征序列根據(jù)一定的數(shù)學算法為說話人建立聲音模板庫，持卡人在操作過程中須說出口頭指令或短語，然后和系統(tǒng)中聲音模板庫的聲紋進行比較，從而根據(jù)匹配結(jié)果判斷是否為本人操作，以實現(xiàn)身份識別;運用中介物原理，新型ATM機使用的靈巧卡片用迭片微處理機和存儲芯片代替塑料殼內(nèi)的磁條，用以充當聲音口令和內(nèi)部聲紋識別系統(tǒng)的中介物;運用嵌套原理，將聲場嵌入原來的磁場中，持卡人需預先錄入聲音文本，再通過特殊的技術(shù)處理提取出能表征說話人身份的特征參數(shù)，從而建立聲音模板庫，當本人操作時需說出聲音口令，以便和模板庫中的聲紋進行匹配.能有效的減少密碼被盜的危險.

2)時間分離原理:將矛盾雙方在不同的時間分離，時間分離以降低解決問題的難度.當系統(tǒng)矛盾雙方在某一空間只出現(xiàn)一方時，時間分離是可能的.TRIZ理論中時間分離的創(chuàng)新原理有:預先反作用、預先作用、預先防范、動態(tài)化、不足或過度作用、周期性動作、有效作用的連續(xù)性、減少有害作用時間、氣動或液壓結(jié)構(gòu)、拋棄或再生、熱膨脹.本設計可從時間分離中的動態(tài)化、預先防范原理解決存在的矛盾.

運用動態(tài)化原理，設計的新型ATM機身份識別時需要持卡人說出口令，未來防止聲音的擴散，在ATM機外圍安裝有感應作用的隔音玻璃，當人進去時感應門會自動關(guān)閉，這樣既阻止了身份識別中聲音口令的擴散，又能起到安全隔離線的作用;運用預先防范原理，若本人臨時有事或年邁者由于腿腳不便無法抵達現(xiàn)場時，可以用特制的錄制器將口令錄下來交給信任之人代替辦理業(yè)務，起到是事先防范作用，這種特制的錄制器是把持卡人第一次在開戶行錄入聲音文本時提取的特征參數(shù)經(jīng)過特殊技術(shù)嵌入其中的，具有記憶功能，若非本人操作，錄音器會自動發(fā)生警報聲，也就是說不是原聲的錄制無效.

3)條件分離原理:將矛盾雙方在不同的條件下分離，以降低解決問題的難度.條件分離當系統(tǒng)矛盾雙方在某一條件下只出現(xiàn)一方時，條件分離是可能的.TRIZ理論中條件分離的創(chuàng)新原理有:分割、組合、多用性、嵌套、重量補償、逆向思維、曲面化、變害為利、反饋、自服務、廉價替代品、同質(zhì)性、物質(zhì)或化學變化.本設計可從條件分離中的多用性、嵌套原理解決存在的矛盾.

運用多用性原理，新型的ATM機外圍安裝的隔音玻璃，既能起到和下一位顧客隔離的作用，又能有效的減少身份識別時聲音口令的擴散，對于卡信息泄露和密碼被盜的問題具有雙重保護作用;運用嵌套原理，將聲場嵌入原來的磁場中，持卡人需預先錄入聲音文本，再通過特殊的技術(shù)處理提取出能表征說話人身份的特征參數(shù)，從而建立聲音模板庫，當本人操作時需說出聲音口令，以便和模板庫中的聲紋進行匹配.能有效的減少密碼被盜的危險.

2.4 ATM機聲音識別流程

聲音識別系統(tǒng)的核心是聲紋，聲紋是指說話人語音頻譜的信息圖.由于每個人發(fā)出的聲音及音頻各不相同，因此聲紋作為基本特征來實現(xiàn)人的身份識別具有不可替代性.首先持卡人須到開戶行錄制聲音口令，利用聲卡DSP技術(shù)把聲音作為聲卡數(shù)據(jù)的采集對象，搭建一種基于聲卡的虛擬數(shù)據(jù)采集和分析系統(tǒng)，提取出能表征說話人身份的特征參數(shù)，再利用提取出的特征序列根據(jù)一定的數(shù)學算法為說話人建立聲音模板庫，安裝于系統(tǒng)內(nèi)部.識別流程如圖3所示.新型的ATM機使用的“靈巧卡”(圖4中a)由迭片微處理機和存儲芯片構(gòu)成，當持卡人插入卡片時，系統(tǒng)會提示通過語音導入器(圖4中c)說出口令，進而和系統(tǒng)聲音模板庫中的聲紋進行對比，判斷是否為本人操作.

圖3 識別流程

考慮到聲音的傳導性，在ATM機周圍安裝有隔音作用的玻璃門，當人進入時門會自動關(guān)閉，隔音玻璃能有效的削弱聲音的傳導.設計完成的新型ATM機外觀如圖4所示.

圖4 新型的ATM機結(jié)構(gòu)圖

當本人臨時有事或腿腳不便的老人無法親自抵達現(xiàn)場進行操作時，可將聲音口令錄制到這種新型ATM機特制的錄音器中，由親屬代為操作.這種新型的ATM機配有的特制的錄音器，通過持卡人第一次在開戶行錄入聲音文本時將提取的特征參數(shù)經(jīng)過特殊處理嵌入錄音器中，這樣在下次錄制聲音時錄音器會有聲音記憶，若非本人操作，錄音器會自動發(fā)生警報聲.這些新型的設計都將有效降低密碼被盜、信息泄露的風險.

3 結(jié)語

與現(xiàn)在ATM機中普遍的密碼認證技術(shù)相比，應用TRIZ理論的新型ATM聲音識別技術(shù)具有如下幾個優(yōu)點:1)用戶接受程度高，由于不涉及隱私問題，用戶無任何心理障.2)系統(tǒng)準確性高，在相同信道下，聲音識別的準確率高而且便于采集.3)識別速度快、不會遺失、不需記憶、為不能到達現(xiàn)場者提供特制的聲音錄制器.

聲音識別技術(shù)的這些優(yōu)點解決了銀行卡復制器導致的信息泄漏等安全隱患，銀行卡可以復制但聲音不能，聲音信號將成為合法用戶向系統(tǒng)進行身份識別的惟一密鑰.與其他識別技術(shù)相比，聲音識別更具有簡便、準確、擴展性良好等眾多優(yōu)勢，目前已被應用于很多領域，相信在未來一定會有更廣闊的發(fā)展前景.

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