區(qū)塊鏈在氣象遠(yuǎn)程培訓(xùn)中的應(yīng)用探討＊

劉曉玲，胡貴華，王永鋒

(1.中國氣象局氣象干部培訓(xùn)學(xué)院，北京 100081；2.湖北省氣象局)

0 引言

氣象遠(yuǎn)程培訓(xùn)起步于上個世紀(jì)末，經(jīng)歷了磁帶、光盤教材、9210 衛(wèi)星單收站廣播，網(wǎng)絡(luò)教育等階段。目前氣象遠(yuǎn)程培訓(xùn)暴露出許多問題：①多平臺問題，為了新功能而另建平臺所致；②多身份問題；③培訓(xùn)認(rèn)證問題；④遠(yuǎn)程培訓(xùn)互動問題。本文將探討利用區(qū)塊鏈技術(shù)解決這些問題。

1 區(qū)塊鏈技術(shù)

區(qū)塊鏈?zhǔn)羌c(diǎn)對點(diǎn)動態(tài)組網(wǎng)、分布式存儲、共識算法、非對稱加密、智能合約等于一體的綜合性技術(shù)，是一種效率和信任的交換，其不可篡改、全程留痕、集體維護(hù)、公開透明等特點(diǎn)，為區(qū)塊鏈創(chuàng)造信任奠定了基礎(chǔ)[2]。區(qū)塊鏈技術(shù)的集成應(yīng)用，在新的技術(shù)革新和產(chǎn)業(yè)變革中起著重要作用。在區(qū)塊鏈中，每個區(qū)塊都可以在數(shù)據(jù)庫中增加新的內(nèi)容，其他節(jié)點(diǎn)均可共享，信息公開透明，不可篡改（除非擁有超過51%的區(qū)塊權(quán)限[3]）。區(qū)塊鏈寫入數(shù)據(jù)實(shí)時、有序、不可偽造，信息永久保存，可記錄、可追溯。數(shù)據(jù)在區(qū)塊鏈上廣播，其他區(qū)塊都有記錄，想篡改需要修改所有區(qū)塊，接收方核驗(yàn)發(fā)現(xiàn)不正確就會拒絕。這樣可以解決信息不對稱問題、實(shí)現(xiàn)多個主體之間的協(xié)作信任與一致行動，在工作中可以簡化交易和管理流程，降低人力、物力成本。同時它可跟蹤學(xué)員網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)賬號、報名、學(xué)習(xí)、考試、評價等信息，所有成員之間共享單一可信視圖，可以簡化端到端所有的細(xì)節(jié)，從而賦予學(xué)員學(xué)習(xí)的信心和機(jī)會及學(xué)習(xí)興趣，提高培訓(xùn)效率。

有了區(qū)塊鏈技術(shù)的發(fā)展，加上大數(shù)據(jù)、云計算、人工智能、3D、VR/AR等新技術(shù)的不斷演進(jìn)，下一步混合現(xiàn)實(shí)課堂的出現(xiàn)是發(fā)展的必然結(jié)果，而區(qū)塊鏈?zhǔn)腔旌险n堂實(shí)現(xiàn)的信任與共識的基石與支撐。隨著技術(shù)發(fā)展，成本走低，混合現(xiàn)實(shí)課堂普及也不會僅僅是夢想。混合現(xiàn)實(shí)課堂融合了虛擬世界、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)和互聯(lián)網(wǎng)，是基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、空間計算、人機(jī)交互，感官傳感器等集成。可以為用戶實(shí)現(xiàn)有序、實(shí)時、多終端、可創(chuàng)造的沉浸式體驗(yàn)。對于教育培訓(xùn)來說，將面授培訓(xùn)搬家到混合現(xiàn)實(shí)數(shù)字化課堂，可以實(shí)現(xiàn)面授無法實(shí)現(xiàn)的空間自由轉(zhuǎn)換，且會增加更為豐富的互動關(guān)系，極具趣味性和吸引力。

2 區(qū)塊鏈在氣象遠(yuǎn)程培訓(xùn)領(lǐng)域的應(yīng)用

相對于金融、網(wǎng)商和物流行業(yè)，區(qū)塊鏈技術(shù)在氣象培訓(xùn)領(lǐng)域還沒有得到切實(shí)應(yīng)用。由于多個平臺之間獨(dú)立運(yùn)行，沒有互通，多身份使得相互導(dǎo)入數(shù)據(jù)需要人工比對或用辦公軟件查重，缺乏信任機(jī)制，信息無法共享，因此需要探討如何在氣象遠(yuǎn)程培訓(xùn)領(lǐng)域引入?yún)^(qū)塊鏈技術(shù)。

區(qū)塊鏈不可篡改的特點(diǎn)，可以為記錄教師教學(xué)和學(xué)員學(xué)習(xí)證明提供解決方案，教師可以不用單獨(dú)申請再開授課證明，學(xué)員的學(xué)習(xí)記錄也很難造假，信息公開透明。區(qū)塊鏈分布式存儲的特點(diǎn)可以打通各個平臺之間的數(shù)據(jù)不統(tǒng)一性，在區(qū)塊鏈頭中包含的哈希指針指向某一學(xué)員的唯一特征代碼即可實(shí)現(xiàn)信息和數(shù)據(jù)共享，形成共識機(jī)制，共識機(jī)制中包含每個人的工作量證明、各操作證明。區(qū)塊鏈的智能合約可以實(shí)現(xiàn)國家級、省/地/市/縣各級氣象臺站員工個人多個主體之間的協(xié)作信任，保證所有信息共享，從而簡化工作流程，提高工作效率、降低溝通成本。

2.1 模型構(gòu)建

目前氣象遠(yuǎn)程教育網(wǎng)上主要是學(xué)員信息、報名信息、學(xué)習(xí)資源、學(xué)員異步學(xué)習(xí)檔案，教學(xué)管理平臺是學(xué)員報名信息、課程評價、培訓(xùn)總結(jié)與結(jié)業(yè)證信息，氣象E 堂為手機(jī)端課程評價系統(tǒng)，虛擬實(shí)訓(xùn)平臺是利用虛擬仿真軟件開發(fā)的課件學(xué)習(xí)平臺，其他幾個平臺主要是遠(yuǎn)程直播學(xué)習(xí)信息數(shù)據(jù)。這幾個平臺的共同點(diǎn)是面向氣象部門全員或其他行業(yè)從事氣象服務(wù)的相關(guān)人員，每個人都有上這多個平臺學(xué)習(xí)的機(jī)會，每個平臺系統(tǒng)里都會存儲相關(guān)的培訓(xùn)信息，目前實(shí)際情況如圖1所示。

圖1 氣象培訓(xùn)現(xiàn)狀圖

鑒于目前各個平臺獨(dú)立運(yùn)行造成學(xué)員參培的復(fù)雜性，可以考慮把各個平臺區(qū)塊鏈接起來，建立氣象培訓(xùn)區(qū)塊鏈，見圖2。各個終端使用唯一識別ID登錄。原各個獨(dú)立的培訓(xùn)區(qū)塊鏈接成一個大的培訓(xùn)區(qū)塊，區(qū)塊之間用指針鏈接，其中每個區(qū)塊都以識別ID 數(shù)據(jù)庫中的一人對應(yīng)的唯一ID為準(zhǔn)。

圖2 氣象培訓(xùn)區(qū)塊鏈

唯一識別ID 可以使用現(xiàn)在培訓(xùn)氣象部門職工ID（經(jīng)修訂、去重，保證一人一ID 后使用），亦可以采用身份證作為唯一標(biāo)識，若以身份證為例，唯一識別ID 即身份證號。學(xué)員登錄時的唯一識別ID 數(shù)據(jù)庫鏈接在每個培訓(xùn)區(qū)塊的區(qū)塊頭（blockhead），每個區(qū)塊之間鏈接直接用指針鏈接各區(qū)塊的區(qū)塊頭即可。

對于每個學(xué)員的學(xué)習(xí)檔案的記錄，學(xué)員的姓名和ID 作為唯一標(biāo)識形成區(qū)塊0（創(chuàng)世區(qū)塊），后一個培訓(xùn)區(qū)塊頭指針指向前一個培訓(xùn)區(qū)塊頭，并對前一個區(qū)塊頭信息做哈希運(yùn)算后加上姓名和ID 置于本區(qū)塊頭內(nèi)，以此類推，展示如圖3所示。

圖3 氣象職工培訓(xùn)區(qū)塊鏈模型

2.2 技術(shù)方案探究

目前區(qū)塊鏈技術(shù)正處于理論向?qū)嵺`轉(zhuǎn)換階段，國內(nèi)外對于區(qū)塊鏈技術(shù)的投入使用正逐步展開，主要的應(yīng)用成果集中在物流供應(yīng)、銀行保險、數(shù)字貨幣等方面，在教育培訓(xùn)領(lǐng)域尚未有成熟的應(yīng)用產(chǎn)品。從發(fā)展的角度來看，向?qū)嶋H應(yīng)用轉(zhuǎn)換其實(shí)是區(qū)塊鏈思想的實(shí)現(xiàn)。實(shí)施首先要保證技術(shù)的先進(jìn)性。解決目前氣象網(wǎng)絡(luò)培訓(xùn)存在的問題是要實(shí)現(xiàn)多平臺融合，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，解決人員身份重疊，結(jié)束各個平臺（區(qū)塊）的孤立運(yùn)行狀態(tài)，改造需要有先進(jìn)的設(shè)計思想與技術(shù)理念。設(shè)計時要從系統(tǒng)安全、分布共享、可擴(kuò)展、監(jiān)管機(jī)制、共識機(jī)制幾個方面考慮，同時考慮教師、學(xué)員使用平臺的友好性、便捷性和管理員維護(hù)的成本。

2.2.1 用戶端視角

學(xué)員登錄時，不管從氣象培訓(xùn)哪個網(wǎng)址鏈接，或哪個培訓(xùn)手機(jī)應(yīng)用進(jìn)入，始終使用同一個ID 登錄，密碼可以修改，但I(xiàn)D 不變，是唯一標(biāo)識，應(yīng)用可以更新和無限擴(kuò)展，學(xué)員的學(xué)習(xí)記錄不論從哪個平臺進(jìn)入都可以看到所有平臺的記錄（圖4），能實(shí)現(xiàn)培訓(xùn)記錄一覽無余是因?yàn)槊總€區(qū)塊能夠從其父區(qū)塊獲取數(shù)據(jù)信息（見圖3）。

圖4 用戶端模型

2.2.2 架構(gòu)設(shè)計

從氣象網(wǎng)絡(luò)培訓(xùn)服務(wù)學(xué)員的角度，結(jié)合歷年培訓(xùn)經(jīng)驗(yàn)和需求分析設(shè)計以下架構(gòu)[4]（圖5）。

圖5 技術(shù)架構(gòu)圖

數(shù)據(jù)層存儲各個培訓(xùn)平臺學(xué)習(xí)資源、學(xué)員學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)、人員數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)加密、數(shù)字簽名、時間戳等。區(qū)塊鏈中數(shù)據(jù)加密主要是哈希函數(shù)和Merkle 樹的應(yīng)用，可以采用單鏈也可以用效率更高一點(diǎn)的二叉樹鏈-Merkle 樹（圖6），同理只要記住根哈希值，就能檢測出對樹中任何部位的修改；數(shù)字簽名是只有學(xué)習(xí)平臺資源才能產(chǎn)生的別人無法偽造的一段數(shù)字串，可以作為學(xué)員身份和學(xué)習(xí)記錄的有效證明；時間戳記錄學(xué)習(xí)或其他操作的時間唯一性。

圖6 加密Merkle樹

網(wǎng)絡(luò)層是信息點(diǎn)到點(diǎn)傳輸，并參與數(shù)據(jù)的校驗(yàn)。

服務(wù)層中共識算法包括工作量證明（POW），股權(quán)證明（POS），和委任權(quán)益證明（DPOS）。工作量證明可以采用最長鏈規(guī)則，學(xué)員學(xué)習(xí)平臺資源越多，有效鏈就越長，是靠時間和精力累計的學(xué)習(xí)，學(xué)完一個課件，等待一段時間，學(xué)習(xí)的信息會在區(qū)塊鏈上進(jìn)行廣播，其他節(jié)點(diǎn)就可以知道該學(xué)員已完成了某個課件的學(xué)習(xí)；股權(quán)證明是證明學(xué)員學(xué)習(xí)的效果，比如進(jìn)行了考試并且通過了合格線；委任權(quán)益證明主要包括氣象干部培訓(xùn)學(xué)院和各省培訓(xùn)主管部門對職工參學(xué)的信息統(tǒng)計、證明、私鑰保管等。智能合約是對共識算法的代碼實(shí)現(xiàn)。

應(yīng)用層面向用戶終端，用戶登錄后，可到各個平臺學(xué)習(xí)，各平臺的學(xué)習(xí)入口界面是實(shí)際運(yùn)用區(qū)塊鏈的外在展示。

2.3 加密問題

將多個平臺鏈接以后，需要對大量的信息進(jìn)行數(shù)據(jù)隱私保護(hù)，這就會用到數(shù)據(jù)加密，加密是以一種“除接收者外任何人都無法解密的方式[5]”對消息進(jìn)行編碼，其他人無法讀取和理解數(shù)據(jù)格式，以此來保護(hù)數(shù)據(jù)免受攻擊。區(qū)塊鏈主要用到了兩個加密技術(shù)：哈希和簽名。哈希函數(shù)是非對稱加密技術(shù)，在本地會產(chǎn)生一對公鑰和私鑰，公鑰加密，私鑰解密，但由于區(qū)塊鏈技術(shù)是去中心化的，私鑰一旦丟失就無法找回，因此在應(yīng)用區(qū)塊鏈技術(shù)時還不能完全使用去中心化原則，要在氣象干部學(xué)院層面（具有公信力）建立一個區(qū)塊允許職工存儲自己的私鑰，面向簽署承諾書的管理員權(quán)限人員可讀。

每位學(xué)員登錄時由本機(jī)客戶端使用私鑰解密登錄信息后發(fā)送給服務(wù)器，服務(wù)器接收后采用該客戶端的公鑰加密信息并認(rèn)證登錄。區(qū)塊鏈服務(wù)器端存儲學(xué)員的公鑰，學(xué)員學(xué)習(xí)的檔案使用公鑰加密，私鑰解密，可以確保信息的安全性，在區(qū)塊鏈上，信息只能增加，不能刪減，數(shù)據(jù)增加修改等操作都會有記錄，可以避免數(shù)據(jù)的篡改，確保數(shù)據(jù)安全，數(shù)據(jù)簽名時私鑰加密，公鑰解密，可以確保數(shù)字簽名的歸屬，在管理員查詢學(xué)員學(xué)習(xí)情況可以確認(rèn)真假。

2.4 激勵與認(rèn)證

在區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用階段，學(xué)習(xí)逐漸轉(zhuǎn)換為一種數(shù)字資產(chǎn)[6]，是對學(xué)員能力的一種數(shù)字化量度。區(qū)塊鏈技術(shù)的共識機(jī)制是區(qū)塊中所有結(jié)點(diǎn)達(dá)成的共識，從而認(rèn)定一個記錄的有效性，每位學(xué)員的學(xué)習(xí)類似于比特幣的挖礦，要真正學(xué)到業(yè)務(wù)知識，這個區(qū)塊結(jié)點(diǎn)才可以被承認(rèn)，能夠作為工作量證明被大家達(dá)成共識的認(rèn)可，而每挖到一個區(qū)塊，會得到系統(tǒng)獎勵，學(xué)的課程越多，獎勵也越多，這樣可以激勵學(xué)員不斷學(xué)習(xí)進(jìn)步，提升業(yè)務(wù)素質(zhì)和能力。相對應(yīng)，對于不同學(xué)習(xí)要求的課程要設(shè)計不同的形式，了解、掌握、熟練掌握的課程對應(yīng)不同的考核方式。

學(xué)習(xí)認(rèn)證方面，由于區(qū)塊鏈技術(shù)中具有的共識機(jī)制，可以達(dá)成雙方的互相信任。基于區(qū)塊鏈中可信、不可篡改的數(shù)據(jù)，智能合約可以自動化地執(zhí)行一些預(yù)先定義好的規(guī)則和條款，對于學(xué)員的學(xué)習(xí)檔案，單位可以導(dǎo)出和認(rèn)證，不必讓學(xué)員再去找培訓(xùn)方審定和蓋章，由于數(shù)據(jù)公開透明，管理員可以從區(qū)塊鏈中獲取學(xué)員學(xué)習(xí)信息，作為學(xué)習(xí)證明。

3 在區(qū)塊鏈基礎(chǔ)上建立氣象遠(yuǎn)程培訓(xùn)混合現(xiàn)實(shí)課堂

氣象遠(yuǎn)程培訓(xùn)包括異步在線學(xué)習(xí)與同步直播課堂。對于宣貫類課程，異步學(xué)習(xí)目前可以基本滿足要求。對于實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)類課程，比如雷達(dá)、自動觀測等儀器的維修維護(hù)，故障排查等課程，需要較強(qiáng)的交流互動和實(shí)習(xí)操作過程，老師要在培訓(xùn)過程中點(diǎn)評學(xué)員作業(yè)或操作，及時發(fā)現(xiàn)和糾正學(xué)員理解的偏差。目前的遠(yuǎn)程直播平臺及其課件還不能完美模擬實(shí)習(xí)場景并替代面授課堂，在區(qū)塊鏈技術(shù)、VR/AR 已開始應(yīng)用的情況下，可以打造一個基于區(qū)塊鏈技術(shù)的混合現(xiàn)實(shí)課堂。

2020 年以來的直播課，無論使用哪個直播平臺，或多或少都有一些學(xué)員反映網(wǎng)絡(luò)卡頓，卡頓原因可能出現(xiàn)在授課老師上行段，也可能是在學(xué)員收看的下行接收端，視各地當(dāng)時的網(wǎng)絡(luò)情況而定（圖7）。只是視頻流尚且有這樣的情況出現(xiàn)，如果在網(wǎng)絡(luò)上運(yùn)行混合實(shí)訓(xùn)課程，交互性更多，訪問服務(wù)器更頻繁，中心服務(wù)器承受的壓力可想而知。

圖7 直播課堂示例圖

而如果采用區(qū)塊鏈技術(shù)，因區(qū)塊鏈屬于分布式存儲結(jié)構(gòu)，可以在各地有自己的服務(wù)器分?jǐn)偹懔Γ瑴p輕總服務(wù)器壓力，使得網(wǎng)速更快，減小延遲，無壓力運(yùn)行大程序，這也為虛擬實(shí)訓(xùn)課堂建立了新基建基礎(chǔ)。人類進(jìn)入信息時代、感知時代和大數(shù)據(jù)時代，區(qū)塊鏈的發(fā)展也會推動混合現(xiàn)實(shí)課程的進(jìn)一步網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。

4 思考

區(qū)塊鏈技術(shù)是去中心化的，缺乏一定的監(jiān)管機(jī)制，在使用中對于密碼和一些權(quán)限應(yīng)該仍保留中心化功能，實(shí)踐中把區(qū)塊鏈值得借鑒的新思想落實(shí)，而非使用比特幣，要取其有意義的部分。

區(qū)塊鏈不是萬能的，但是對于氣象干部培訓(xùn)學(xué)院的多平臺融合是能夠起到作用的。培訓(xùn)的目的是提高學(xué)員技能和素質(zhì)，大多時候采取去中心化的方式是適用的，但是需要保留一定的中心化監(jiān)管權(quán)限。

中心化和去中心化的界限并不是非黑即白的區(qū)別[5]，需要在實(shí)際使用中不斷調(diào)整，取得相對平衡。至少目前通過分析看到，在氣象遠(yuǎn)程培訓(xùn)中采用區(qū)塊鏈技術(shù)是適當(dāng)?shù)模鋬?yōu)勢也是明顯的，它可以建立多平臺的互聯(lián)、多身份融合、建立信任機(jī)制，學(xué)習(xí)記錄、平臺操作可追溯，信息可共享，防止單服務(wù)器故障、數(shù)據(jù)丟失，簡化工作流程，降低培訓(xùn)成本。

本文探討了區(qū)塊鏈技術(shù)在氣象培訓(xùn)領(lǐng)域的應(yīng)用前景。氣象部門也正嘗試使用區(qū)塊鏈思想實(shí)現(xiàn)各個平臺間的互通互聯(lián)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共建、共享，區(qū)塊鏈的分布式存儲結(jié)構(gòu)也可以幫助培訓(xùn)教學(xué)實(shí)現(xiàn)低延遲的互動直播，使學(xué)員獲得較好的學(xué)習(xí)體驗(yàn)。