基于區塊鏈技術的氣象數據共享方案研究

楊浩 周念珠 夏航

摘要? ? 本文主要介紹了一種利用區塊鏈技術，結合大數據隱私保護和可拓展性方案，依托數據共享，提出一個集用戶系統、數據接口服務系統、區塊鏈網絡服務系統為一體的氣象數據協作共享方案。通過平臺對數據交換進行記錄，確保數據可溯源，防止數據篡改、偽造，同時建立貢獻激勵機制，增加氣象數據共享的積極性，可以為氣象決策服務、氣象防災減災、科研學習提供準確氣象數據和科學依據。

關鍵詞? ? 氣象數據;區塊鏈;共享方案

中圖分類號? ? TP309;P409? ? ? ? 文獻標識碼? ? A

文章編號? ?1007-5739（2020）11-0205-03? ? ? ? ? ? ? ? ?開放科學（資源服務）標識碼（OSID）

Research? on? Sharing? Scheme? of? Meteorological? Data? Based? on? Block? Chain? Technology

YANG Hao? ? ZHOU Nian-zhu? ? XIA Hang

（Wansheng Economic Development Zone Meteorological Bureau of Chongqing City，Chongqing 400800）

Abstract? ? This paper mainly introduced a collaborative sharing scheme of meteorological data that integrated user system，data interface service system and block chain network service system by using block chain technology，combining big data privacy protection and extensibility scheme and relying on data sharing. Through the platform，data exchange could be recorded to ensure data traceability and prevent data tampering and forgery.Meanwhile，contribution incentive mechanism was established to increase the enthusiasm of meteorological data sharing，which could provide accurate meteorological data and scientific basis for meteorological decision service，meteorological disaster prevention and mitigation，and scientific research and learning.

Key words? ? meteorological data;block chain;sharing scheme

我國是一個自然災害多發的國家，其中氣象災害約占70%，各種氣象災害每年都給社會經濟帶來巨大損失。隨著氣象信息化建設和服務水平日益提高，氣象信息已經成為國民生產生活中不可或缺的一部分，公眾對氣象數據的需求也逐漸增加，但是目前氣象數據一直面臨協作共享難、數據安全與隱私保護難、數據確權難以及數據收益分權難等問題，數據壟斷、數據孤島等現象非常突出。隨著區塊鏈技術的發展，目前已進入到可編程社會的階段，并且區塊鏈具有數據透明、真實的特點，可以解決信任問題，從而有效促進數據協作共享[1-2]。鑒于氣象部門自身及相關行業對氣象數據的使用需求，本文利用區塊鏈與大數據結合，提出氣象數據共享方案，研究解決氣象數據的保護問題和可拓展性問題，以期為相關工作的開展提供準確的氣象數據。

1? ? 目的及意義

氣象數據的共享是氣象工作現代化的必然要求，越來越多的用戶在工作中都離不開氣象科學數據的支持。基于區塊鏈技術的氣象數據共享方案利用區塊鏈的可拓展性和隱私保護的技術特點及優勢，通過氣象數據交換平臺，建立氣象數據共享激勵機制，解決數據資源流通難題，推動氣象數據資源整合，提高氣象數據利用率，使氣象資料的服務能力獲得實質性提高;通過建立數據造假失信機制，所有數據在交換過程均通過平臺智能合約記錄傳輸上鏈，不僅能保障數據的安全可靠，還能提高氣象數據的利用效率，提供更加可靠的決策分析依據[3-4]。同時，該方案也可為氣象公共服務、氣象決策服務、氣象科技服務、氣象防災減災、氣象學科試驗等方面提供準確及時的氣象數據信息，是經濟建設和社會保障的需要[5]。

2? ? 解決方案

本方案采用層次化設計思路，由用戶系統、數據接口服務系統、區塊鏈網絡服務系統組成，采用結構化模塊設計，具有可擴展性，方便以后添加新的模塊。在本方案中通過區塊鏈控制氣象數據共享，同時記錄系統所有操作信息，保障數據交換安全真實;通過貢獻證明協議進行獎勵分配，保證貢獻與獎勵成正比，增加數據分享積極性;通過加入智能合約進行智能控制，防止違規使用，為政府和有關部門提供準確、及時、可靠的信息。系統提供多種查詢方式（圖1），如圖形查詢、點擊查詢、區域查詢、屬性查詢等，用戶可以通過客戶端疊加相關的氣象數據，進行分析、決策、指導，使之更加個性化，更有針對性，從而達到共享目的，實現數據可視化。

2.1? ? 用戶系統

本系統由參與數據共享的各個用戶構成。用戶利用系統提供的同態加密算法對需要傳輸的數據進行加密，然后通過業務適配器將共享數據傳遞到數據共享接口服務模塊。本系統主要有3個功能：一是用戶通過傳輸個人數據庫內共享的氣象數據至分布式賬本內的存儲數據資源子模塊內，獲得系統發放的虛擬貨幣獎勵，獎勵標準由智能合約模塊內的貢獻證明協議子模塊根據數據質量進行計算;二是用戶通過區塊鏈網絡服務系統內數據資源目錄服務子模塊進行數據查詢、匹配，然后通過支付虛擬貨幣從分布式賬本內的存儲數據資源子模塊獲取需要的氣象數據;三是各個用戶之間通過分布式賬本內的用戶信息子項目進行虛擬貨幣交易。

2.2? ? 數據接口服務系統

本系統由數據共享接口服務模塊構成。根據本系統功能分析將數據共享接口服務模塊劃分為數據采集、數據傳輸、數據分析、數據共享、數據轉換、任務調度等6個子模塊。本系統主要有2個功能：一是負責用戶系統、區塊鏈網絡服務系統的數據傳輸工作，本系統對需要交換的加密氣象數據進行格式轉換，然后利用安全多方計算技術對轉換后的加密氣象數據進行協作計算，得出計算結果后將結果返回給數據需求方;二是根據確定的模式自動調度不同的數據，完成計劃的目標與任務。

2.3? ? 區塊鏈網絡服務系統

本系統由數據目錄模塊、智能合約模塊、分布式賬本、系統管理模塊等4個部分組成，實現氣象數據綜合管理查詢功能，提供空間數據庫和空間數據管理通道。

2.3.1? ? 數據目錄模塊。本模塊主要由數據檢索、數據匹配、數據索引3個子模塊組成，利用分布式運行模式，實現了氣象數據的實時性，提高了自動化效率，簡化了數據處理流程。主要功能是為區塊鏈網絡服務系統提供方便快捷的數據組織與管理方式。用戶通過數據目錄服務，可以對區塊鏈網絡服務系統中的數據進行查詢、匹配與檢索服務。

2.3.2? ? 智能合約模塊。本模塊主要由存量數據、數據同步、數據清洗、貢獻證明協議等4個子模塊組成。本模塊主要具有2個功能：一是負責把用戶在區塊鏈網絡服務系統中的數據資源同步至分布式賬本中存儲及數據清洗工作;二是對用戶共享的數據進行獎勵，并將獎勵結果發送至分布式賬本內的用戶虛擬財產賬戶中儲存。智能合約可追蹤且不可逆轉，保障數據不會被篡改，增強區塊鏈性能和隱私保護。

2.3.3? ? 分布式賬本。本模塊主要由存儲數據資源、權限控制、存儲分析任務、虛擬財產賬戶等4個子模塊組成，滿足多個用戶使用同一服務器的需要，達到分散部署、集中執行的目的。本模塊主要有2個功能：一是為用戶提供區塊鏈網絡服務系統中的數據共享、復制和同步的數據庫功能及數據交換功能;二是記錄系統內用戶虛擬財產交易數據信息。

2.3.4? ? 系統管理模塊。本模塊主要由用戶認證、系統配置、系統維護、系統幫助、系統拓展等5個子模塊組成。本模塊主要有5個功能：一是用于區塊鏈用戶認證;二是針對不同用戶設置不同權限;三是設置系統管理員維護系統;四是提供系統介紹功能及演示功能;五是預留接口以備系統后續開發升級。

3? ? 實施步驟

3.1? ? 數據準備

參與氣象數據共享的用戶選擇個人數據庫中需要共享的歷史或實時數據，利用同態加密算法加密后，通過業務適配器傳輸至數據共享接口模塊，由于氣象數據的特殊性，有些數據無法直接讀取，可以通過業務適配器轉化為可讀取的數據格式（圖2）。

3.2? ? 數據傳輸

在各個用戶的共享數據全部到達共享接口模塊后，數據接口服務系統通過單項傳輸通道將這些數據傳遞至一個安全的計算容器中，數據到達容器后自動解密，并準備進行協作運算。整個數據傳輸過程均通過智能合約記錄在區塊鏈上，確保記錄無法篡改（圖3）。

3.3? ? 數據協作運行

在各個用戶的共享數據到達安全的計算容器后，數據接口服務系統利用安全多方計算對數據進行處理，可以通過設置輸入、輸出參數進行封裝，得到計算結果，數據處理將變得更加簡單，效率也會得到提升;利用貢獻證明協議來確保數據共享者的收益權，提高用戶參與度;同時整個數據協作運行過程均保存在區塊鏈上，確保數據協作過程公開透明，每個參與者都能公平、公正的獲得計算結果（圖4）。

3.4? ? 數據輸送

安全計算容器得到協作運行數據結果后，數據同步及數據存儲模塊把結果傳輸到區塊鏈網絡服務系統中的分布式賬本中儲存。在運行數據到達分布式賬本后，安全計算容器內用于協作的原始數據自動消除，不會留下備份，同時此次過程和結果也是記錄在區塊鏈上，數據的使用成本降低，減少了大量的數據庫建設，用戶使用更加方便，使專業應用面向更高層次（圖5）。

4? ? 方案特點

建立基于區塊鏈技術的氣象數據共享平臺，可以解決氣象數據資源流通問題，實現無需數據歸集就能完成協作共享，同時確保數據共享用戶的安全隱私。此外，通過建立信用貢獻證明機制及數據造假懲罰機制，可以提高數據真實性，同時提升用戶數據分享積極性。推動商業化的氣象服務行業發展，實現氣象資料商品開發利用，滿足大眾對氣象資料的需求，實現氣象數據在商業競爭、規劃戰略、決策指導中的實用價值。

4.1? ? 安全監管信息

平臺通過審查申請人資質來決定是否允許其服務器加入網絡和加入網絡節點的類型，針對不同的用戶角色設置不同的訪問權限，只能在權限內調用數據;使用區塊鏈對用戶節點進行分級鏈接，在平臺監管下實現部分去中心化。

4.2? ? 數據交易信息

平臺通過使用虛擬貨幣對用戶分享行為進行獎勵，共享多、價值高的數據可以獲得較多虛擬貨幣，同時用戶可以通過支付虛擬貨幣來購買平臺內的氣象數據，提升用戶數據分享積極性，使用戶的共享數據產生財富增值。

4.3? ? 區塊鏈合約信息

將目前氣象行業標準及規則對應到電子合同模板中，選擇合同模板會產生對應的智能合約，自動地、無需信任地、公正地強制執行合約內容，對數據使用過程進行智能控制，去除對第三方的依賴。同時，可以定制各類數據間互操作協議、自定義數據格式，以保證不同數據相互銜接的通暢性。

4.4? ? 區塊鏈數據信息

記錄區塊鏈數據鏈上的數據基本信息、數據大小、數據流通信息、數據使用場景、數據秘鑰信息等;通過平臺對數據共享過程進行記錄，保證數據交換記錄真實可靠且不可篡改，在保證數據共享同時，也保證了數據服務的安全。

4.5? ? 區塊鏈賬戶信息

采用混合認證方式，通過使用虹膜、指紋、密碼等多種認證方式對使用主體進行認證，將賬戶和行為主體綁定，加入智能合約，解決區塊鏈數據共享各方的身份認證問題，防止違規使用;同時，可將身份信息進行強度安全保護后，置于身份鏈上，以滿足不同用戶的需求。

5? ? 結語

本文利用區塊鏈的技術特點和優勢，將區塊鏈技術與氣象數據相結合，提出一種氣象數據共享解決方案，從而實現氣象數據的自動傳輸、備份、讀取、更新等任務，保證數據有序流動和充分發揮作用。通過建立協作共享機制、信用貢獻機制、數據造假機制等，可以降低數據交換和交易的成本，提升數據流通共享以及數據生產匯集的積極性;通過平臺進行數據交換，為用戶提供了更加便捷的氣象數據獲取方式，實現氣象數據管理與共享服務一體化;通過分布式賬本及智能合約，將整個數據共享過程記錄在區塊鏈上，保障數據隱私及安全。

6? ? 參考文獻

[1] 焦迪，梁智.基于區塊鏈的政務信息資源共享交換安全防護研究[J].網絡安全技術與應用，2019（6）：111-112.

[2] 金泳，徐雪松，王剛，等.基于區塊鏈的電子政務大數據安全共享研究[J].信息安全研究，2018，4（11）：1029-1033.

[3] 徐宏偉.區塊鏈在我國公共服務平臺應用研究綜述[J].科技創新與應用，2019（23）：62-64.

[4] 唐琳.區塊鏈的前世今生[J].科學新聞，2018（2）：17-20.

[5] 孫建鋼.區塊鏈技術發展前瞻[J].中國金融，2016（8）：23-24.

基金項目? ?重慶市氣象部門青年基金項目（QNJJ-201912）。

作者簡介? ?楊浩（1990-），男，重慶人，助理工程師，從事氣象安全管理、防雷減災等工作。

收稿日期? ?2020-03-06