指紋識別在電力信息管理身份認證中的應用

摘要：近年來，隨著產業數字化的實施與升級，電力行業建設了適配性較高的電力信息管理系統。目前，正值電力行業高質量發展之際，應進一步加強對身份認證的管理，解決用戶名加密碼認證方式應用中的不足。該文概述了指紋識別技術，并在剖析該技術在電力信息管理身份認證中的應用價值的基礎上，分別從背景技術、硬件設計、識別程序、其他措施四個方面，對其應用情況進行了具體探討。

關鍵詞：指紋識別；電力信息管理；身份認證

doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2024.07.046

中圖分類號：TN 915.08；TM 7 文獻標志碼：B 文章編碼：1672-7274（2024）07-0-04

Application of Fingerprint Recognition in Identity Authentication of Power Information Management

SUN Yi， SUN Jie， MA Guanglin， YIN Xiao， LIANG Shuang

（State Grid Heilongjiang Electric Power Co.， Ltd. Qiqihar Power Supply Company， Qiqihar 161000， China）

Abstract： In recent years， with the implementation and upgrading of industrial digitization， the power industry has built a highly adaptable power information management system. At present， as the power industry is developing with high quality， it is necessary to further strengthen the management of identity authentication and address the shortcomings in the application of username and password authentication methods. Starting from this， the article provides an overview of fingerprint recognition technology and analyzes its application value in power information management identity authentication. Based on this， the article specifically explores its application from four aspects： background technology， hardware design， recognition program， and other measures.

Keywords： fingerprint recognition; power information management; identity authentication

1 指紋識別概述

指紋識別是一種與虹膜識別、聲紋識別、行為識別、掌紋識別無本質差別的生物識別技術，主要借助比對個體指紋模式實現身份驗證，特點集中表現在唯一性、穩定性、安全性、實用性等方面。其應用原理分為三個部分：指紋采集原理；指紋特征提取原理；指紋特征匹配原理。指紋識別流程包括指紋注冊與指紋比兩大環節，前一個環節包括指紋采集→圖像增強→提取特征值→特征值模板入→比對匹配，后一個環節包括指紋采集→圖像增強→提取特征值→比對匹配，兩大環節相輔相承，不可分割，需要通過協同應用才能實現識別目的。其中，指紋注冊時要求實踐主體在用戶界面中完成用戶指紋采樣、提取特征值并建立用戶特征模板，將其錄入所用系統數據庫等[1]。

2 指紋識別在電力信息管理身份認證

中的應用價值

2.1 從系統優化角度分析

電力行業自2018年全面實施“互聯網+”改革以來，已初步完成現代電力信息管理系統的建設，既實現了“線上+線下”混合管理，也大幅度提升了電力系統運營成效。然而，此類系統應用時，身份認證采用常規用戶名注冊及密碼驗證登錄方式安全性差，加上新時期電力信息化技術不斷發展，同一用戶具有多個系統使用權限且一段時間內頻繁輸入密碼的現象將越來越多，給用戶記憶、存儲以及使用密碼登錄平臺造成一定的困難。在這一前提下，應用指紋識別技術既可以一次性解決密碼數量多、密碼記不住的問題，也能夠輔助電力信息管理系統實現對身份認證方式的轉變，為其系統升級優化提供技術支撐[2]。

2.2 從安全管理角度分析

進入新時代后，國內外信息安全形勢日益嚴峻。我國為保障電力信息安全，出臺了《電力監控系統安全防護規定》（發改委〔2014〕14號令）和《電力監控系統安全防護方案》（國能安全〔2015〕36號文）等文件，強調了電力信息管理系統安全防護的重要性。身份認證作為此類系統的第一道安全防線，引入指紋識別技術，既能夠輔助其完善電力信息管理系統密碼保障體系建設，也能夠憑借基于指紋識別的電力信息管理身份認證方式，為用戶的安全使用保駕護航，規避非授權登錄引發的電力信息泄漏、篡改、竊取、毀壞等風險。

3 指紋識別在電力信息管理身份認證中的應用分析

電力信息管理系統中的經典身份認證，一般采用“身份認證+訪問控制”方案，如Kerberos、Passport之類的計算機網絡安全訪問控制方案。就目前而言，在量子計算機未推廣應用之前，上述任何一種身份認證方案均不能達到100%的本質安全管理目標。應用指紋識別技術雖然不能從根本上解決該方面的問題，但是可以借助其獨有的優勢提升身份認證方案安全等級，使其更上一層樓。筆者通過查閱文獻資料，與同行開展技術交流及總結日常電力信息管理工作經驗，確認我國電力信息管理系統應用的“用戶名+密碼”身份認證方案，主要是在“大平臺+小系統”基本框架下設計所需的身份認證系統。本次研究以此為基礎提出了一種基于指紋識別的電力信息管理身份認證系統。下面分別從背景技術、硬件設計、識別程序、其他措施四個方面展開討論[3]。

3.1 背景技術

指紋是個體唯一性生物特征。根據現階段的研究認為在60億人口條件下，300年內不會出現兩個一樣的指紋。從國際研究現狀看，歐美、日本、韓國等發達國家在多個領域已應用了指紋識別。國內的指紋識別技術應用具有起步晚、發展速度快等基本特點。近年來，在產學研一體化發展過程中，指紋識別應用相關的傳感器、算法、模型等有了長足進步，無論是光學類，還是硅晶體類的傳感器及其他取像設備，均可以輔助指紋識別技術在不同領域的應用。但是，此類技術應用過程中算法相對滯后，而且在電力行業尚未獲得有效應用。在這種背景下，本次研究提出一種基于指紋識別的電力信息管理身份認證系統，將設計目標定位為實現指紋算法，以指紋信息形式補充身份認證信息，確保本地密碼管理服務器的安全訪問。系統可實現的功能包括：用戶注冊；信息上傳；用戶身份認證；權限分配；用戶信息查詢等。

3.2 硬件設計

該系統在模塊化設計思路下將硬件設置為一個指紋采集模塊，結構包括客戶端PC機、和指紋采集儀兩大部分，其中后者包括USB接口、通信模塊、指紋收集模塊、指紋傳感器。比較光學傳感器、半導體傳感器、超聲波傳感器、晶體傳感器的性能可知，在體積、耐用性、成像能力、成本方面，當前市售的晶體傳感器綜合性價比較高，因而選擇了基于STM32F205RC單片機的TFS-S72高精度光學傳感器。計算機接口方面旨在實現CPU與硬件設備的匹配。為了實現數據緩沖、信號轉換、數據交互、CPU命令處理、中斷管理等，本次綜合考慮其接口功能將指紋采集模塊與其外圍硬件電路通過菊花鏈形式的USB進行連接，通信方式方面使用C#程序中SerialPort控件的串口通信，通信流程包括“開始→打開串行通信端口→端口初始化及控件屬性設置→數據發送與接收→關閉串行通信接口→結束”。操作時，設計人員在Visual studio 2016中通過“新建項目→創建Windows窗體應用程序→Foml窗體→添加Button控件”等步驟完成，其中，打開、關閉串口按鈕等均通過函數處理工具進行編碼[4]。

3.3 識別程序

上述指紋識別模塊需要完成指紋采集、圖像預處理、特征提取、特征匹配，為了滿足其識別要求需要為其提供相應的算法。具體如下：

首先，在指紋采集時，該模塊供電后進入工作狀態，通過“開始登錄→選擇通信端口→通信連接成功（若否返回上一層）→通信連接成功→采集指紋圖像→指紋采集成功（若連接超時返回上一層）→存入內存→結束”流程完成采集，整個流程由傳感器和串口通信完成。

其次，指紋圖像在采集過程中受到按壓力度、皮膚干濕程度、傳感器質量三種因素影響會導致灰度明暗差異，影響其圖像精度，給識別造成阻礙。本次研究使用的晶體傳感器，可以自動調節像素，借助局部調整、軟件控制、自動獲取控制（AGC）技術，實現應用光學傳感器時配套應用指紋圖像場計算（包括分割、增強、二值化、細化處理等步驟）的效果，解決圖像對比度差的問題，在捕捉瞬間提升局部像素采集靈敏度。

第三，目前的指紋局部特征分類共計30多種，其中端點、分叉點、交叉點、橋型、環型屬于常見特征，占比分別為70.1%、19.9%、4.6%、3.9%、1.5%。晶體傳感器提供的圖像為黑色、白色兩個像素，可以按照“0”和“1”及“紋線”確認其特征點。由于此類特征點周圍有8個鄰域且構成“九宮格模塊”，形成端點“P”的模板、分叉點“P”的兩種模塊后，對其進行提取時，只需要設P點周圍像素變化次數為Sn（P），然后對其端點P和分叉點P進行計算。公式如下：

（1）

按照式（1），當Sn（P）為2和6時，P對應于實際指紋圖像的端點、分叉點。但是，在提取指紋奇異點時（包括中心點與三角點），設計人員根據“某點周圍方向場變化越劇烈，成為奇異點的可能性越大”的方向場原理進行計算。操作時，只需根據方Poincare公式，設方向場中給定的奇異點Poincare索引定義并用公式表示為

（2）

根據式（2），在5×5和3×3方格內，可以先沿順時針做閉合曲線，再計算其周圍平均方向場差，當兩圈（內圈、外圈）值一樣時可確認其為所求奇異點。以5×5格為例，順時針方向形成的閉合曲線為R1～R12，如圖1所示。

圖1 方5×5方格內嵌3×3方格示意圖

其中，內嵌的3×3格沿順時針形成的閉合曲線為r1～r8。此時，可以按照方向場差值公式對其進行計算。具體如下：

（3）

（4）

需要注意的是，在完成指紋圖像特征點提取后，需要剔除其中的偽特征點，操作時可以使用常比較簡單位的分割模板法進行處理。例如，當閾值為10時，可以按照“開始→遍歷特征表→該細節特征點是否位于邊緣（若是去除）→距離去偽→是否小于紋線距離最小值（若是去除）→利用相關結構信息去偽→是否存在偽特征結構（若是去除）→是否遍歷結束（若否返回第二步）→保存指紋特征→結束”的流程，完成兩個端點間距離小于該值且在同一紋線方向下的偽端點[5]。

第四，進行指紋圖像比對，包括指紋圖像配準、比對，操作時，設計人員采用點模式的一對一匹配進行操作。具體而言，晶體傳感器采集的指紋圖像經處理后精度相對較高，僅需要選擇一個特征點，為其為圓心畫半徑作圓后選取三點組成的等邊三角形之和，再將取點范圍內的樣本和模板圖像進行配準即可，比對時則按照相似度計算公式完成兩幅指紋圖像的比對。假定特征點分值、最大相似數、總數分別為A、M、N，此時就可以按式（5）進行計算。

（5）

其操作流程為：開始→遍歷特征點→特征點是否匹配（若否返回上一步）→累加分值→計算相似度→大于合格閾（若是比對成功）→是否遍歷結束（若否返回第二步）→比對失敗→結束。

3.4 其他措施

該系統屬于子系統，主要用于電力信息管理系統。設計人員在設計好硬件與識別程序后，選擇Client（客戶端）/Server（服務器）架構，應用時以電力信息管理系統常用局域網應用條件，可以通過客戶端完成數據處理，借助服務器實現數據庫管理等功能。其中的數據庫為Mysql數據庫，數據庫連接時，選擇能夠提供API函數的ODBC訪問數據庫方式，進而把SQL語句直接發送給ODBC，操作時只需為其注冊的一個數據源即可完成ODBC管理器與數據庫的聯系。另外，客戶端的、注冊界面的設計均在Visual studio 2016中采用C#編程實現。應用時，用戶僅需要在登錄注冊界面注冊后，輸入指紋信息，然后經識別程序完成識別與登錄等。

4 結束語

綜上所述，指紋識別技術構成要素較少，原理相對簡單，在新時期電力信息管理身份認證中的應用具有重大價值，既可以促進系統優化，又能夠提升安全管理水平。建議電力企業在實踐中盡可能遵循思路決定出路的基本原則，一方面在“大平臺+小系統”基本框架下設計適配的系統架構，另一方面在設計與實現一體化實踐模式下按部就班完成對其硬件資源的優化配置與軟件程序的設計，尤其要突出圖像處理與算法的重要性，確保技術方案應用后能夠為整個電力信息管理身份認證方式保駕護航。

參考文獻

[1] 陶文偉，王景，曹揚，等．面向新型電力系統的人機交互統一安全認證技術[J]．浙江電力，2023，42（8）：12-18．

[2] 趙洪山，孫京杰，趙仕策．基于射頻指紋的無線電力終端身份認證方法[J]．高電壓技術，2023，49（5）：1810-1818．

[3] 何佩，鄭文斌，池曉金，等．電力物聯網終端存儲設備身份認證與數據保護方法研究[J]．西北工業大學學報，2022，40（5）：1188-1194．

[4] 趙百捷，劉良帥，侯勃旭，等．電力物聯網設備身份認證策略及安全性分析[J]．河北電力技術，2022，41（3）：54-57．

[5] 甘宇翔，陳新崗．電力安全控制過程可信任客戶端身份認證仿真[J]．計算機仿真，2021，38（8）：181-184．