基于TRIZ理论的ATM机创新研究

2013-08-17董晓红金文娟

哈尔滨商业大学学报（自然科学版） 2013年3期

董晓红，金文娟

(哈尔滨商业大学金融学院，哈尔滨150028)

随着我国金融电子化建设的深入发展和客户对银行服务质量要求的提高，自动柜员机在金融行业的应用越来越广泛，然而，新事物带给人们方便快捷的同时也为一些不法分子提供了可乘之机，生活中经常发生一些利用自动柜员机进行诈骗和盗窃的行为，如最近出现的银行卡复制器，它是一种能将银行卡卡内信息、密码等记录并发送到不法分子手里的接收器中的电子器械，不法分子利用这些信息制作出克隆卡从而取走大量资金，这使得传统的ATM机上密码认证的身份识别技术暴露出许多不足[1－6]，鉴于这种情况，基于 TRIZ 理论，我们对传统的ATM机进行创新设计，在原有的系统中加入声场，持卡人预先在开户行录入的声音文本，经过声音预处理系统后提取特征参数，建立声音模板库，形成语音识别系统.持卡人在操作过程中需说出口令以便和模板库中的声纹进行对比，从而判断是否为本人操作[7－9].并在 ATM 机外围安装有感应作用的隔音玻璃，既阻止了身份识别中声音口令的扩散，又能起到安全隔离线的作用.再者，这种新型的ATM机还配有特制的录音器，持卡人第一次在开户行录入声音文本时将提取的特征参数经过特殊处理嵌入录音器中，这样在下次录制声音时录音器会有记忆，若非本人操作，录音器会自动发生警报声.这些新型的设计都将有效降低密码被盗、信息泄露的风险.

1 传统ATM机的问题描述

传统ATM机的身份识别部分工作原理图如1所示.

图1 传统ATM机的身份识别部分工作原理

当持卡人想在传统的ATM机上进行业务操作时，需先通过键盘输入数字密码，系统通过电机驱动、动力传输、传感器等装置将数字密码信号运送到执行系统部分，系统识别到正确的密码后进行相应的变化方可进入下一步操作.然而最大的安全隐患存在于密码输入过程中.一些不法分子在银行自动柜员机隐蔽不易被察觉的地方安装银行卡复制器、针孔摄像头等微型电子设备，用户在自动柜员机上进行业务操作通过键盘手动输入密码时容易被一些设备窃取，根据窃取的信息制作出克隆卡进行作案;这种安全隐患的存在使得许多人不敢轻易在ATM机上进行业务操作而只能去银行柜面，导致的结果是银行经常人满为患.而且，这种通过键盘手动输入密码的操作方式，当用户临时有事或因腿脚不便不能亲自到达现场时，业务将无法进行.有些年老的用户或银行卡比较多的工作人士容易忘记自己的密码，这些都给人们带来很多不便.

2 应用TRIZ原理的创新设计

2.1 设计要求

新型的ATM机要求在操作过程中确保身份识别时的密钥安全不易被窃取;持卡人临时有事或有行动不便的老人到达不了现场时可由本人指定的人代办业务，而且要求卡内信息不能被第三人复制;持卡人不用刻意去记自己设置的密码.用什么方法既可以使持卡人能顺利的完成操作又不会使密码泄露，既在临时有事时可以让他人代办业务还能避免被第三人复制卡内信息，也能省去背密码之苦呢?在这个思考过程中，TRIZ理论给了我们很大的启发.

TRIZ理论与传统的创新方法相比，具有自身鲜明的特点和优势.它成功地揭示了创造发明的内在规律和原理，并能快速地确认和解决系统中存在的矛盾.它是基于技术的发展进化规律来研究整个产品的发展过程，而不再是一种随机的创新行为，因而大大加快了发明创造的进程，提升了产品的创新水平.现代TRIZ理论体系主要包括以下几个方面内容:

1)创新思维方法与问题分析方法.TRIZ理论中提供了如何进行系统分析问题的科学方法，如多屏幕法;对于复杂问题的分析，则包含了科学的问题分析建模方法——物场分析法，它可以快速确认核心问题，发现根本矛盾.

2)技术系统进化法.针对技术系统进化演变规律，在大量专利分析的基础上TRIZ理论总结出八个基本进化法则.利用这些进化法则，可以确认分析当前产品的技术状态，预测未来发展趋势，并开发出富有竞争力的新产品.

3)技术矛盾解决原理.不同的发明创造往往遵循相同的规律原则.TRIZ理论将这些共同的规律归纳成40个创新原理，针对具体的技术矛盾，基于这些创新原理、结合实际情况寻求具体的解决方案.

4)创新问题标准解法.针对具体问题物场模型的不同特征，分别对应标准模型处理方法，包括模型的修整、转换、物质与场的添加等.

本论文设计的新型ATM机中运用到物场模型、物理矛盾、技术矛盾、多屏幕分析、系统完备性法则、金鱼法、最终理想解、系统内部资源等方法.

2.2 应用TRIZ理论中物场模型法解决问题

传统的ATM机中以镶有磁条的银行卡作为中介工具，在系统内磁场中发挥效用，期间用以身份识别的数字密码易泄露或被盗取，安全性低，属于效应不足的物场模型，我们的改进方法是:在原有的磁场的基础上引入新的场—声学场，如图4所示.

图2 ATM改进图

持卡人在操作过程中不是以在键盘上输入数字密码为识别依据，而是通过安装在机身的语音导入器导入声音口令，进而和系统声音模板库中的声纹进行匹配，从而达到识别作用.具体设计与原理:声音识别系统的核心是声纹，声纹是指说话人语音频谱的信息图.由于每个人的发音器官不同，因而所发出的声音及音频各不相同，因此，声纹作为基本特征来实现人的身份识别具有不可替代性和稳定性.利用声卡DSP技术，把声音作为声卡数据采集的对象，搭建一种基于声卡的虚拟数据采集和分析系统，实现声音识别.这里所说的声卡DSP技术是一种独特的微处理器，是以数字信号来处理大量信息的器件.其工作原理是接收模拟信号，转换为0或1的数字信号.再对数字信号进行修改、删除、强化，并在其他系统芯片中把数字数据解译回模拟数据或实际环境格式的技术.

声音识别系统的工作一般分为两个过程:训练过程和识别过程.无论训练过程还是识别过程，首先都需要对输入的原始语音信号进行预处理，如采样、量化、预加重和加窗等处理，以实现语音特征的提取功能.在训练过程中，通过持卡人到开户行预先输入声音文本，经过声音预处理系统后再通过特征信号提取系统，提取出能表征说话人身份的特征参数，再利用提取出的特征序列根据一定的数学算法为说话人建立声音模板库.将系统安装于ATM机.新型的ATM机使用“灵巧卡片”，看上去就像普通银行卡，但不使用磁条，而是用迭片微处理机和存储芯片代替塑料壳内的磁条，为了应用ATM机上的业务，在识别过程中，客户必须说出口头指令或短语，然后把它和声音识别系统中的声音模板库中的声纹进行比较，从而根据匹配结果判断进行操作的人是否为本人.

2.3 应用TRIZ理论解决物理矛盾的设计

物理矛盾是技术系统中最本质的矛盾，也即问题的核心部分.解决物理矛盾的方案，是能更高效解决问题的方案.通俗的讲，物理矛盾是对同一参数有两个不同的要求.本问题中新型的ATM机要求既要识别本人的操作，又不能识别他人的操作;既要本人不能到现场时声音可以被录制，又不能让非法分子录制口令进行作案.这些物理矛盾可以用TRIZ理论的4大分离原理解决，即:空间分离、时间分离、条件分离、系统分离.

1)空间分离原理:将矛盾双方在不同的空间分离，空间分离以降低解决问题的难度.当系统矛盾双方在某一空间出现一方时，空间分离是可能的.TRIZ理论中空间分离的创新原理有:分割、抽取、局部质量、增加不对称性、嵌套、逆向思维、一维变多维、中介物、复制、柔性外壳或薄膜.本设计可从空间分离中的复制、中介物、嵌套原理解决存在的矛盾.

运用复制原理，可以将声音复制到声卡，利用声卡DSP技术，搭建一种基于声卡的虚拟数据采集和分析系统，经过声音预处理系统后再通过特征信号提取系统，提取出能表征说话人身份的特征参数，再利用提取出的特征序列根据一定的数学算法为说话人建立声音模板库，持卡人在操作过程中须说出口头指令或短语，然后和系统中声音模板库的声纹进行比较，从而根据匹配结果判断是否为本人操作，以实现身份识别;运用中介物原理，新型ATM机使用的灵巧卡片用迭片微处理机和存储芯片代替塑料壳内的磁条，用以充当声音口令和内部声纹识别系统的中介物;运用嵌套原理，将声场嵌入原来的磁场中，持卡人需预先录入声音文本，再通过特殊的技术处理提取出能表征说话人身份的特征参数，从而建立声音模板库，当本人操作时需说出声音口令，以便和模板库中的声纹进行匹配.能有效的减少密码被盗的危险.

2)时间分离原理:将矛盾双方在不同的时间分离，时间分离以降低解决问题的难度.当系统矛盾双方在某一空间只出现一方时，时间分离是可能的.TRIZ理论中时间分离的创新原理有:预先反作用、预先作用、预先防范、动态化、不足或过度作用、周期性动作、有效作用的连续性、减少有害作用时间、气动或液压结构、抛弃或再生、热膨胀.本设计可从时间分离中的动态化、预先防范原理解决存在的矛盾.

运用动态化原理，设计的新型ATM机身份识别时需要持卡人说出口令，未来防止声音的扩散，在ATM机外围安装有感应作用的隔音玻璃，当人进去时感应门会自动关闭，这样既阻止了身份识别中声音口令的扩散，又能起到安全隔离线的作用;运用预先防范原理，若本人临时有事或年迈者由于腿脚不便无法抵达现场时，可以用特制的录制器将口令录下来交给信任之人代替办理业务，起到是事先防范作用，这种特制的录制器是把持卡人第一次在开户行录入声音文本时提取的特征参数经过特殊技术嵌入其中的，具有记忆功能，若非本人操作，录音器会自动发生警报声，也就是说不是原声的录制无效.

3)条件分离原理:将矛盾双方在不同的条件下分离，以降低解决问题的难度.条件分离当系统矛盾双方在某一条件下只出现一方时，条件分离是可能的.TRIZ理论中条件分离的创新原理有:分割、组合、多用性、嵌套、重量补偿、逆向思维、曲面化、变害为利、反馈、自服务、廉价替代品、同质性、物质或化学变化.本设计可从条件分离中的多用性、嵌套原理解决存在的矛盾.

运用多用性原理，新型的ATM机外围安装的隔音玻璃，既能起到和下一位顾客隔离的作用，又能有效的减少身份识别时声音口令的扩散，对于卡信息泄露和密码被盗的问题具有双重保护作用;运用嵌套原理，将声场嵌入原来的磁场中，持卡人需预先录入声音文本，再通过特殊的技术处理提取出能表征说话人身份的特征参数，从而建立声音模板库，当本人操作时需说出声音口令，以便和模板库中的声纹进行匹配.能有效的减少密码被盗的危险.

2.4 ATM机声音识别流程

声音识别系统的核心是声纹，声纹是指说话人语音频谱的信息图.由于每个人发出的声音及音频各不相同，因此声纹作为基本特征来实现人的身份识别具有不可替代性.首先持卡人须到开户行录制声音口令，利用声卡DSP技术把声音作为声卡数据的采集对象，搭建一种基于声卡的虚拟数据采集和分析系统，提取出能表征说话人身份的特征参数，再利用提取出的特征序列根据一定的数学算法为说话人建立声音模板库，安装于系统内部.识别流程如图3所示.新型的ATM机使用的“灵巧卡”(图4中a)由迭片微处理机和存储芯片构成，当持卡人插入卡片时，系统会提示通过语音导入器(图4中c)说出口令，进而和系统声音模板库中的声纹进行对比，判断是否为本人操作.

图3 识别流程

考虑到声音的传导性，在ATM机周围安装有隔音作用的玻璃门，当人进入时门会自动关闭，隔音玻璃能有效的削弱声音的传导.设计完成的新型ATM机外观如图4所示.

图4 新型的ATM机结构图

当本人临时有事或腿脚不便的老人无法亲自抵达现场进行操作时，可将声音口令录制到这种新型ATM机特制的录音器中，由亲属代为操作.这种新型的ATM机配有的特制的录音器，通过持卡人第一次在开户行录入声音文本时将提取的特征参数经过特殊处理嵌入录音器中，这样在下次录制声音时录音器会有声音记忆，若非本人操作，录音器会自动发生警报声.这些新型的设计都将有效降低密码被盗、信息泄露的风险.