基于指紋識別的車道系統(tǒng)授權(quán)認證優(yōu)化與應(yīng)用

馮 軒，梁 歡

(廣西交科集團有限公司，廣西 南寧 530007)

0 引言

截至2020-10-26，全國高速公路ETC使用率超過65.98%[1]，隨著ETC的快速普及，全國高速公路通行效率進一步提升，出行更為便捷。在2020年實現(xiàn)取消省界站以及ETC費顯和清分結(jié)算系統(tǒng)優(yōu)化工程之后，全國高速公路網(wǎng)運行總體平穩(wěn)有序，交通量持續(xù)增加，高速公路出入口的收費站擁堵緩行狀況得到全面緩解。高速公路省界交通擁堵現(xiàn)象徹底根除，全國高速公路真正實現(xiàn)了一網(wǎng)通行，極大地提高了高速公路的通行效率。與此同時，經(jīng)過優(yōu)化改造的前端混合車道收費系統(tǒng)，也增加了大量特情車輛處理功能，包括入口稱重復(fù)核、外省入口信息查詢、ETC轉(zhuǎn)人工收費、集裝箱預(yù)約及綠通車輛查驗等[2]。但目前，特情車輛的處理需要收費員和收費班長現(xiàn)場確認及授權(quán)，而車道收費系統(tǒng)對特情處理人員的身份認證授權(quán)是通過用戶名和密碼的方式來進行，這種需要手動輸入的方式對于大量的特情處理授權(quán)造成了不便，從而影響車輛通行效率。

隨著指紋識別技術(shù)軟硬件的成熟，現(xiàn)代電子集成電路技術(shù)已經(jīng)滿足制造超小型指紋獲取設(shè)備的需求，能夠運行大量運算的指紋模糊匹配算法，使指紋識別技術(shù)被廣泛應(yīng)用到日常生活的各個領(lǐng)域。本文利用指紋識別技術(shù)，提出了基于指紋識別的車道收費系統(tǒng)認證授權(quán)優(yōu)化方案并實際應(yīng)用于試點車道，對提升和優(yōu)化車道收費特情處理業(yè)務(wù)有重要的現(xiàn)實意義。

1 車道收費系統(tǒng)授權(quán)認證的現(xiàn)狀

目前車道收費系統(tǒng)對收費員、收費班長、維護員等人員的授權(quán)認證主要是采用工號+密碼的技術(shù)模式進行管理。各類人員的個人工號、密碼信息存放在站級數(shù)據(jù)庫的人員表中，由各個收費站通過站級管理系統(tǒng)錄入和維護，并同步下發(fā)到各條車道，車道收費系統(tǒng)通過用戶輸入的工號、密碼與人員表數(shù)據(jù)進行匹配完成授權(quán)認證?，F(xiàn)行車道收費系統(tǒng)的授權(quán)認證方式存在以下幾點缺陷：

(1)授權(quán)認證對象真實身份無法確認，存在管理問題。工號+密碼的認證方式，其關(guān)聯(lián)的是賦予個人的工號及與之匹配的密碼，無法確認輸入工號、密碼的人的真正身份，若收費員、收費班長、維護員之間互相告知工號、密碼，使得身份被其他人借用或冒用，會導(dǎo)致濫用對應(yīng)的處理權(quán)限，影響特情稽查和追溯，給收費管理帶來困難[3]。

(2)工號、密碼過于簡單，易被盜取，存在安全隱患。車道收費系統(tǒng)使用專用收費鍵盤，不能直接輸入英文字母和漢字，工號、密碼全部為純數(shù)字組合，較易被他人獲取和記錄，他人一旦獲取工號密碼，就可以進行上下班收費業(yè)務(wù)和處理特情車輛，降低了收費系統(tǒng)的安全性。

(3)人工輸入工號、密碼的操作較為繁瑣，影響工作效率。每次特情車輛授權(quán)處理時，收費員或班長都要輸入工號、密碼，收費員為了避免工號、密碼被車道亭內(nèi)監(jiān)控拍到，輸入密碼時必須遮擋，降低了操作效率，當(dāng)處理的特情較多時，操作變得較為繁瑣。

2 指紋識別的優(yōu)勢

指紋識別已發(fā)展成為一項成熟可靠的生物識別技術(shù)，具備安全便捷的特性，在社會生產(chǎn)管理和人們?nèi)粘Ｉ畹雀鱾€領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛。相對于傳統(tǒng)的口令認證技術(shù)，指紋識別擁有以下幾個優(yōu)勢：

(1)指紋是個人具備的獨一無二且穩(wěn)定的生物特征性狀。人的指紋在出生9個月后基本成型，終生不會改變，且同一個人不同手指上的皮膚紋路也各不相同。每個人的指紋是獨一無二的。人的指紋約存在70～150個特征點，一般依據(jù)13個指紋特征點的差異，即可區(qū)分識別不同個體[4]。指紋作為每個人獨立的生物特征，特別適合用于授權(quán)身份認證，可以滿足認證與人一一綁定的要求。

(2)指紋不易被復(fù)制，安全性強。相對于密碼口令，指紋無法被人直接獲取和輕易復(fù)制，具有較強的安全性，并且每個人不同手指的指紋不同，可以利用多個指紋構(gòu)成多重認證，進一步提高安全性。

(3)指紋識別操作便捷。指紋錄入成功后，指紋獲取和識別匹配速度快，穩(wěn)定性高[5]，收費員易于操作，利于提高特情車輛處理效率。

3 基于指紋識別的授權(quán)認證方案設(shè)計

3.1 設(shè)計原則

基于現(xiàn)有的收費系統(tǒng)軟硬件，在原有工號+密碼認證流程的基礎(chǔ)上，通過增加指紋獲取設(shè)備，兼容實現(xiàn)指紋識別認證流程，指紋識別應(yīng)滿足以下要求：

(1)易操作性：指紋識別硬件設(shè)備和算法應(yīng)滿足實時性要求，獲取和識別速度快，流程簡單，讓收費員易于學(xué)習(xí)和操作，同時應(yīng)讓收費員可以自由選擇工號密碼或指紋識別進行認證。

(2)可靠性：指紋識別匹配算法要滿足可靠性要求，在各種異常情況下能夠準(zhǔn)確獲取和匹配收費員的指紋，最大限度保證系統(tǒng)的正確運行。

(3)安全性：指紋識別數(shù)據(jù)應(yīng)經(jīng)過加密存儲，不能被輕易復(fù)制盜取，保證系統(tǒng)的安全性。

3.2 模塊設(shè)計

根據(jù)上述設(shè)計原則，基于指紋識別的授權(quán)認證優(yōu)化設(shè)計主要包括三大部分，分別是站級指紋管理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)同步系統(tǒng)和車道系統(tǒng)指紋認證邏輯。其中，站級指紋管理系統(tǒng)實現(xiàn)通過指紋獲取設(shè)備完成整個收費站相關(guān)人員的指紋錄入、查看、刪除、更改功能，并將指紋數(shù)據(jù)存儲在站級數(shù)據(jù)庫中；數(shù)據(jù)同步系統(tǒng)實現(xiàn)將站級數(shù)據(jù)庫中的指紋數(shù)據(jù)同步下發(fā)到各個車道的車道數(shù)據(jù)庫；車道指紋認證邏輯實現(xiàn)在需要認證授權(quán)時通過指紋設(shè)備獲取指紋，并將獲取到的指紋與車道數(shù)據(jù)庫中的指紋數(shù)據(jù)進行匹配完成授權(quán)認證。整體系統(tǒng)設(shè)計如下頁圖1所示。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計框圖

3.3 流程設(shè)計

根據(jù)上述系統(tǒng)模塊設(shè)計，每一部分的功能流程設(shè)計如下。

3.3.1 指紋管理系統(tǒng)流程

3.3.1.1 權(quán)限認證

使用現(xiàn)有收費站的工號+密碼來進行登錄驗證，只有系統(tǒng)維護員等人員有權(quán)限登錄，其他用戶無法登錄。登錄系統(tǒng)后才能進行查看、添加、刪除指紋等操作。

3.3.1.2 指紋查看

列表顯示人員表里面的人名、工號，以及是否已添加指紋等信息，用戶選中某一行后可以點擊“添加”“刪除”等按鈕進行操作。

3.3.1.3 指紋添加

選中某人然后點擊“添加”按鈕后，先判斷該員工是否已添加指紋，若已有指紋則提示需要先刪除指紋才能重新錄入。若該員工還未錄入指紋則開始進入添加指紋流程。

進行錄入指紋操作時，在界面提示用戶進行按壓手指、抬起手指等操作，一般需要按壓3次(界面提示按壓進度)，若某次按壓不規(guī)范(在界面提示用戶保持手指干凈并按壓準(zhǔn)確等)，則需要再次進行按壓，直到注冊接口返回并判斷錄入成功或失敗。若用戶一直沒有按壓，則等待一段時間后超時自動退出此次注冊流程。

如錄入成功則繼續(xù)讀取指紋模組內(nèi)上述錄入的指紋的特征數(shù)據(jù)，先進行加密然后存儲到數(shù)據(jù)庫人員表的指紋字段內(nèi)，加密以提升安全性。

若存儲成功，則在界面顯示注冊成功，并將列表中該員工的是否已錄入指紋信息顯示成“是”。若存儲失敗則提示對應(yīng)的失敗信息。

3.3.1.4 指定指紋刪除

選中或者輸入對應(yīng)的工號或名字，可以選擇刪除該指紋，刪除成功后將列表中該員工的是否已錄入指紋信息顯示成“否”。

3.3.1.5 全部指紋刪除

刪除已錄入的全部指紋(彈窗進行二次確認)，刪除成功后將全部員工的是否已錄入指紋信息都顯示成“否”。

指紋管理流程如圖2所示。

圖2 指紋管理系統(tǒng)流程圖

3.3.2 數(shù)據(jù)同步系統(tǒng)流程

3.3.2.1 指紋數(shù)據(jù)下發(fā)

位于站級服務(wù)器的模塊將已錄入站級數(shù)據(jù)庫的人員工號、指紋等信息下發(fā)到所選擇的車道工控機數(shù)據(jù)庫內(nèi)。當(dāng)指紋錄入信息發(fā)生變更時(如刪除、添加等)，及時同步將更新后的指紋數(shù)據(jù)推送到車道工控機。

3.3.2.2 指紋數(shù)據(jù)接收

位于車道工控機的模塊接收站級服務(wù)器端下發(fā)的指紋信息，包括工號、指紋等，并且同步到車道數(shù)據(jù)庫中。

數(shù)據(jù)同步流程如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)同步流程圖

3.3.3 車道系統(tǒng)指紋認證流程

在上班登錄或授權(quán)等需要用戶名密碼登錄的地方進行調(diào)用指紋識別接口進行驗證，同時支持原有的用戶名密碼登錄驗證。

在彈出輸入用戶名及密碼的界面，如檢測到指紋設(shè)備并啟用了指紋功能則在界面增加提示“請按壓指紋”，同時調(diào)用獲取指紋的接口，等待用戶按壓后返回指紋特征數(shù)據(jù)。此時用戶也可以直接使用用戶名密碼登錄而不使用指紋。

將此次按壓獲取到的指紋特征、人員表里的工號以及對應(yīng)的指紋特征數(shù)據(jù)傳入指紋識別算法接口進行比對，并獲取比對結(jié)果，若識別成功則一同返回工號，若識別失敗則在界面提示“識別失敗，請重按”，此時軟件再次進入等待用戶按壓指紋的狀態(tài)，按壓后獲取特征并再次進行識別，以此循環(huán)，直至識別成功或用戶使用用戶名密碼進行驗證或用戶手動關(guān)閉當(dāng)前界面。

在識別成功之后則自動關(guān)閉輸入用戶名密碼的界面，并自動進行相應(yīng)的登錄、權(quán)限驗證、授權(quán)等。

車道系統(tǒng)指紋認證流程如圖4所示。

圖4 車道系統(tǒng)指紋認證流程圖

3.4 數(shù)據(jù)庫表格設(shè)計

在原有的人員表基礎(chǔ)上，加入了指紋相關(guān)數(shù)據(jù)后，數(shù)據(jù)庫表格設(shè)計如表1所示。

表1 人員信息表

4 系統(tǒng)試點運行結(jié)果分析

基于上述方案進行系統(tǒng)優(yōu)化改造后，在沿海高速南寧南收費站的入口、出口車道收費系統(tǒng)進行了試點升級，對收費站相關(guān)人員進行了培訓(xùn)。

截至目前，試點車道平穩(wěn)運行一個月以上，各類特情處理統(tǒng)計結(jié)果如表2所示。各類特情處理總共359次，其中，出口ETC轉(zhuǎn)人工收費、入口拒超復(fù)核、綠通車輛查驗免費、出入口車輛信息不一致等特情出現(xiàn)較頻繁，占所有特情處理總數(shù)的70%以上，平均每次特情授權(quán)處理能減少約5 s左右的操作時間，使用指紋識別授權(quán)有效提高了特情業(yè)務(wù)的處理效率，得到了收費站業(yè)主的好評。接下來準(zhǔn)備進一步擴大試點范圍，逐步推廣至全廣西。

表2 特情類型統(tǒng)計數(shù)據(jù)表

5 結(jié)語

針對目前車道收費系統(tǒng)授權(quán)認證的缺陷和不足，本文提出了基于指紋識別的車道收費系統(tǒng)授權(quán)認證優(yōu)化方案，利用新增的指紋識別軟硬件模塊，在原有授權(quán)認證方式基礎(chǔ)上加入指紋認證流程，對整個系統(tǒng)授權(quán)認證流程進行了優(yōu)化設(shè)計和實踐。通過實際部署運行試點，驗證了方案優(yōu)化的有效性，試點結(jié)果表明該方案能夠切實提高車道收費系統(tǒng)特情車輛授權(quán)處理的效率。基于現(xiàn)有指紋認證方案，未來工作可以從設(shè)備選型和授權(quán)流程方面繼續(xù)研究，進一步研究無線指紋識別進行遠程授權(quán)認證等應(yīng)用場景，為提高車道收費管理效率提供支持。