區(qū)塊鏈技術(shù)在圖書借閱系統(tǒng)中的探索與應(yīng)用

張栩銘 宋雨軒 李仁德

摘 要 針對(duì)圖書館空間資源有限問(wèn)題，論文提出通過(guò)區(qū)塊鏈技術(shù)構(gòu)建離散化借閱模型，將圖書借閱拓展到館舍空間之外。論文提出了一種區(qū)塊鏈借閱激勵(lì)機(jī)制，包括書籍借入者、書籍借出者及借閱平臺(tái)三大主體，當(dāng)借閱活動(dòng)在平臺(tái)上發(fā)生時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)執(zhí)行相關(guān)智能合約上的指令，利用區(qū)塊鏈平臺(tái)中的代幣作為資產(chǎn)，基于平臺(tái)借閱規(guī)則將代幣資產(chǎn)發(fā)放到合約指定的用戶賬戶地址中，并利用區(qū)塊鏈技術(shù)不可篡改和不可偽造的去中心化特征，對(duì)書籍流向進(jìn)行實(shí)時(shí)追溯。同時(shí)，采用Petri網(wǎng)仿真驗(yàn)證系統(tǒng)可行性，結(jié)果表明基于區(qū)塊鏈的借閱系統(tǒng)中平均等待隊(duì)長(zhǎng)0.297101要短于傳統(tǒng)借閱模式中的平均等待隊(duì)長(zhǎng)1.473017，并且在借閱業(yè)務(wù)平均逗留時(shí)間及平均等待時(shí)間這兩個(gè)指標(biāo)上，區(qū)塊鏈輔助借閱機(jī)制的優(yōu)越性都更加顯著?！皡^(qū)塊鏈+圖書借閱”的方法設(shè)計(jì)對(duì)于解決圖書館空間資源不足，提升用戶借閱體驗(yàn)具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

關(guān)鍵詞 圖書借閱;區(qū)塊鏈;排隊(duì)模型

分類號(hào) G258.6

DOI 10.16810/j.cnki.1672-514X.2022.05.010

Research and Application of Blockchain in Book Circulation System

Zhang Xuming， Song Yuxuan， Li Rende

Abstract To address the problem of limited space resources， this paper proposes to build a discrete lending model through blockchain technology to break through the space of library premises. When the lending activity occurs on the platform， the system automatically executes the instructions on the relevant smart contract， uses the tokens in the blockchain platform as assets， and issues the token assets to the user account address specified in the contract based on the lending rules of the platform， and uses the tamper-evident and non-forgeable features of the blockchain technology to supervise the relevant lending activities. The decentralized feature of blockchain technology cannot be tampered with and cannot be forged to regulate the behavior of relevant borrowers and to trace the flow of books in real time. The project also uses Petri network simulation to verify the feasibility of the system， and the results show that the average waiting captain in the blockchain-based lending system is 0.297101， shorter than the average waiting captain of 1.473017 in the traditional lending mode， and the superiority of the blockchain-assisted lending mechanism is more significant in the two indicators of the average stay and the average waiting time of the lending business. The method design of “blockchain + book circulation” has certain practical significance to solve the lack of library space resources and improve users’ lending experience.

Keywords Book circulation. Blockchain. Queueing model.

0 引言

為了適應(yīng)社會(huì)發(fā)展的需求，圖書館由單一的借閱場(chǎng)所變?yōu)榱斯δ芏鄻踊?、綜合開放的文化場(chǎng)所，并兼具服務(wù)、教育、展示、典藏、市場(chǎng)、研究、交流、娛樂(lè)等功能[1]。隨著圖書館多樣化功能的實(shí)現(xiàn)，藏書空間與其之間的矛盾日益凸顯。加之紙質(zhì)文獻(xiàn)的數(shù)量不斷增長(zhǎng)，有限的圖書館空間資源更加緊張[2]。近年來(lái)，很多高校圖書館的書庫(kù)藏書已飽和或近飽和，新書的不斷入庫(kù)不僅增加了倒架的工作量[3]，長(zhǎng)此以往也促使圖書館建設(shè)儲(chǔ)備書庫(kù)來(lái)緩解館藏空間不足的問(wèn)題[4]。儲(chǔ)備書庫(kù)是與存儲(chǔ)圖書館類似的，為了改善圖書館空間不足而建立的場(chǎng)所，在節(jié)約成本的基礎(chǔ)上提高了館中文獻(xiàn)資源利用率[5]。然而建立儲(chǔ)備書庫(kù)對(duì)于日益增長(zhǎng)的紙質(zhì)文獻(xiàn)資源來(lái)說(shuō)也存在著一定的局限性，無(wú)法從根本上解決空間問(wèn)題，時(shí)間效率較低且過(guò)程繁瑣[4]。

智能化時(shí)代下，圖書館日益重視信息化裝備和系統(tǒng)軟件的研發(fā)應(yīng)用，推廣線上線下互動(dòng)的服務(wù)模式，一定程度上促進(jìn)了借閱智能化，緩解了館藏空間不足。如廈門大學(xué)圖書館開發(fā)了一款A(yù)pp“廈大海洋人”，將館藏資源作為核心數(shù)據(jù)，通過(guò)基于Http URI的內(nèi)容協(xié)商方式獲取整合后的數(shù)據(jù)進(jìn)行展現(xiàn)，最終實(shí)現(xiàn)館藏資源向移動(dòng)客戶端應(yīng)用資源的轉(zhuǎn)化[6];北京大學(xué)圖書館在疫情期間率先推出“送書到樓”特別服務(wù)，根據(jù)讀者的線上申請(qǐng)對(duì)書籍進(jìn)行實(shí)地配送，實(shí)現(xiàn)了書籍借閱的線上線下雙渠道聯(lián)動(dòng)[7]。一些業(yè)界學(xué)者也紛紛對(duì)圖書館服務(wù)的轉(zhuǎn)型升級(jí)提出看法，如蒲科[8]提出基于大數(shù)據(jù)挖掘的智慧圖書館用戶精準(zhǔn)化服務(wù)，用大數(shù)據(jù)勾勒出用戶精準(zhǔn)的“畫像”，深度揭示、挖掘、聚合和重組資源并向用戶提供智慧化、智能化、個(gè)性化、精準(zhǔn)化、泛在化的服務(wù);饒權(quán)[9]提出圖書館需要利用智慧化技術(shù)打造更具價(jià)值的館舍空間，營(yíng)造線上線下互動(dòng)、虛實(shí)結(jié)合、開放互聯(lián)、知識(shí)共享的信息獲取，利用數(shù)據(jù)化、智能化的管理手段，提升圖書館的實(shí)體空間與環(huán)境管理能力。

雖然館藏資源的數(shù)字化、信息化在一定程度上從形式上緩解空間資源緊張的現(xiàn)狀，但并沒(méi)有從根本上解決館藏圖書空間利用已滿的問(wèn)題，也無(wú)法避免信息化技術(shù)帶來(lái)的安全和版權(quán)問(wèn)題[10]。因此本文提出利用區(qū)塊鏈技術(shù)去中心化、不可篡改、可追溯的特征建立一個(gè)安全性能較高的離散化借閱平臺(tái)。在該機(jī)制下，每一位借閱者都可通過(guò)共識(shí)機(jī)制作用變成流動(dòng)圖書的中心周轉(zhuǎn)站，通過(guò)實(shí)現(xiàn)書籍在借閱者之間的直接流通解決館藏空間資源不足這一業(yè)界痛點(diǎn)問(wèn)題，圖書館管理平臺(tái)還可以將節(jié)省下的人力、物力投入到讀者個(gè)性化服務(wù)的挖掘之中，提升讀者的借閱體驗(yàn)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析

本文提出的區(qū)塊鏈借閱系統(tǒng)，假設(shè)書籍在借閱者之間的直接流轉(zhuǎn)，省去了圖書館作為中心樞紐進(jìn)行書籍借還的工作。該離散化借閱的流程如圖1所示。用戶通過(guò)平臺(tái)發(fā)出及回應(yīng)借閱需求，平臺(tái)進(jìn)行匹配，用戶根據(jù)匹配結(jié)果進(jìn)行協(xié)議交接，并在協(xié)議地點(diǎn)進(jìn)行實(shí)地交易，從而實(shí)現(xiàn)藏書于民。

基于區(qū)塊鏈的圖書借閱系統(tǒng)采用分層架構(gòu)的設(shè)計(jì)，主要有應(yīng)用層、合約層、激勵(lì)層、網(wǎng)絡(luò)層和數(shù)據(jù)層，由于系統(tǒng)運(yùn)行無(wú)現(xiàn)有數(shù)據(jù)作為參考，平臺(tái)中使用Petri網(wǎng)仿真驗(yàn)證模型的有效性和可行性，系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。

1.1 數(shù)據(jù)層

最底部的數(shù)據(jù)層是區(qū)塊鏈核心層，也是該系統(tǒng)運(yùn)行的基礎(chǔ)。區(qū)塊鏈所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)、智能合約、消息隊(duì)列服務(wù)、數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)及相關(guān)服務(wù)、緩存服務(wù)、分布式數(shù)據(jù)協(xié)作網(wǎng)絡(luò)等都包含在底部數(shù)據(jù)層中。各個(gè)區(qū)塊以鏈的方式進(jìn)行組合，形成區(qū)塊鏈，進(jìn)而形成區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)庫(kù)，被系統(tǒng)內(nèi)的所有節(jié)點(diǎn)共享。交易數(shù)據(jù)在被記錄的同時(shí)，也會(huì)被蓋上時(shí)間戳，時(shí)間戳由區(qū)塊和鏈組成，以確保永遠(yuǎn)不會(huì)被改變和刪除[11]。因此，借閱交易中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)涉及的交易讀者信息、交易書籍信息、交易代幣信息都會(huì)被打包成區(qū)塊連入?yún)^(qū)塊鏈中，任何形式的區(qū)塊篡改和偽造都會(huì)由于時(shí)間順序的錯(cuò)亂而不被系統(tǒng)所接受， 保障了區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)庫(kù)的安全性[12]。由于將區(qū)塊鏈應(yīng)用于圖書借閱的構(gòu)想無(wú)現(xiàn)行數(shù)據(jù)作為參考，因此為了考察系統(tǒng)的可行性與有效性，底部數(shù)據(jù)層所提取到的數(shù)據(jù)還將用于平臺(tái)的仿真與模擬。借閱數(shù)據(jù)將會(huì)以表1借閱業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流的形式記錄到區(qū)塊鏈的數(shù)據(jù)層中。

（1）借閱排隊(duì)系統(tǒng)的組成。一個(gè)排隊(duì)系統(tǒng)一般由系統(tǒng)的輸入過(guò)程、系統(tǒng)的排隊(duì)規(guī)則及系統(tǒng)服務(wù)窗口的服務(wù)方式組成。平臺(tái)用戶發(fā)起借閱，每一筆借閱業(yè)務(wù)都在系統(tǒng)中排隊(duì)等待服務(wù)器進(jìn)行服務(wù)。本文利用M/M/C模型對(duì)區(qū)塊鏈中的內(nèi)存池進(jìn)行建模。M/M/C模型是指當(dāng)顧客的到達(dá)間隔服從參數(shù)為λ的負(fù)指數(shù)分布，到達(dá)的人數(shù)服從泊松分布，每位顧客的服務(wù)時(shí)間服從參數(shù)為μ的負(fù)指數(shù)分布，且顧客的到達(dá)時(shí)間與服務(wù)時(shí)間獨(dú)立，系統(tǒng)有C個(gè)服務(wù)臺(tái)的排隊(duì)模型。

在圖書館的借閱流通業(yè)務(wù)中，讀者的到達(dá)時(shí)間及其對(duì)借還書籍的需求等都是隨機(jī)現(xiàn)象，且其業(yè)務(wù)流程主要由讀者到館、服務(wù)臺(tái)借書、讀者離去三個(gè)部分組成。故將圖書館流通服務(wù)看作M/M/C排隊(duì)系統(tǒng)是合理的[13]。根據(jù)統(tǒng)計(jì)得出讀者到達(dá)圖書館借書的實(shí)際情況如表2所示。

在圖書館借閱的場(chǎng)景中，本文以借閱高峰期的借閱人數(shù)為參考進(jìn)行模擬，假設(shè)每個(gè)時(shí)間段里有175個(gè)借閱者，讀者的到達(dá)速度為44（人/時(shí)），服務(wù)臺(tái)的個(gè)數(shù)服從泊松分布，服務(wù)時(shí)間服從指數(shù)分布，借閱規(guī)則為先到先服務(wù)。由于借閱操作是源源不斷的，因此我們搭建的是一個(gè)開放式模型，到達(dá)時(shí)間一般服從負(fù)指數(shù)分布[14]。

（2）Petri網(wǎng)。Petri網(wǎng)是一種運(yùn)用符號(hào)描述模型的建模工具，其圖形模型通常由表示狀態(tài)的庫(kù)所（Place）、表示變化的變遷（Transition）和代幣（Token）三種元素構(gòu)成，代幣的變遷及其所在位置能夠恰當(dāng)?shù)乇硎驹摻栝喯到y(tǒng)中交易活動(dòng)的發(fā)生及支付代幣的轉(zhuǎn)移狀態(tài)[15]。因此，我們采用Petri網(wǎng)對(duì)區(qū)塊鏈借閱系統(tǒng)的借閱業(yè)務(wù)流程建模，研究并完善借閱流程中各元素之間的結(jié)構(gòu)及邏輯關(guān)系。

（3）排隊(duì)系統(tǒng)模型建立。排隊(duì)系統(tǒng)模型可以分為到達(dá)和服務(wù)兩個(gè)部分，到達(dá)指相關(guān)借閱需求的發(fā)出，服務(wù)指書籍借出者與借閱需求發(fā)出者之間的協(xié)商。本模型中，到達(dá)部分由P1，P2，T1，P3，T2組成;服務(wù)部分由P6，P3，P4，T3，P5，T4組成，P3是排隊(duì)狀態(tài)，屬于到達(dá)與服務(wù)的分界線，根據(jù)區(qū)塊鏈借閱業(yè)務(wù)的大致流程，可以得到圖3區(qū)塊鏈業(yè)務(wù)流程模型圖。

其中，在區(qū)塊鏈的業(yè)務(wù)流程過(guò)程中，每一個(gè)庫(kù)所和變遷的實(shí)際意義詳見(jiàn)表3。

（4）仿真系統(tǒng)流程。在該基于區(qū)塊鏈的借閱系統(tǒng)中，每一次書籍的成功借出都包含借閱交易的生成、產(chǎn)生內(nèi)存池、區(qū)塊的生成、挖掘過(guò)程、累加到區(qū)塊鏈這幾個(gè)步驟。其中借閱交易的生成是一個(gè)獨(dú)立的因素，并且會(huì)暫時(shí)將數(shù)據(jù)存放在內(nèi)存池中。內(nèi)存池是一個(gè)臨時(shí)的共享空間，可供整個(gè)網(wǎng)絡(luò)用于交易的積累，在內(nèi)存池中它們等待被所有節(jié)點(diǎn)的用戶挖掘。

每一個(gè)新增區(qū)塊中都包含著單次借閱交易的交易雙方，交易的時(shí)間、地點(diǎn)及交易書籍的信息。該仿真系統(tǒng)流程如圖4所示。

本文假設(shè)平臺(tái)上每一筆借閱業(yè)務(wù)的到達(dá)時(shí)間都服從負(fù)指數(shù)分布，也可以根據(jù)實(shí)際情況對(duì)用戶到達(dá)時(shí)間的概率分布進(jìn)行調(diào)整。記錄下用戶交易信息，如交易地和最大容忍時(shí)間后以list形式送入到Queue庫(kù)所，按順序?qū)⒔灰仔畔⒉迦氲疥?duì)尾。此時(shí)服務(wù)器會(huì)根據(jù)“先到先服務(wù)”的原則依次對(duì)業(yè)務(wù)進(jìn)行響應(yīng)，匹配借閱需求發(fā)出者與書籍持有者?！跋鹊较确?wù)”指服務(wù)器每次先取隊(duì)列頭元素處理，只有當(dāng)服務(wù)站處于空閑狀態(tài)時(shí)才會(huì)對(duì)Queue中的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。圖書借閱的交易操作的平均逗留時(shí)間等于等待時(shí)間與服務(wù)時(shí)間之和。服務(wù)完成后交易代幣金額及交易時(shí)間送入到最后的已完成業(yè)務(wù)中。

1.2 網(wǎng)絡(luò)層

網(wǎng)絡(luò)層在相關(guān)傳播與驗(yàn)證機(jī)制下進(jìn)行交易記錄和區(qū)塊廣播，保證網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)之間的互聯(lián)互通。在基于區(qū)塊鏈的圖書借閱系統(tǒng)中，假設(shè)用戶M與用戶N通過(guò)平臺(tái)完成交易C，交易雙方的身份信息、交易的時(shí)間地點(diǎn)以及代幣金額等都視為一項(xiàng)交易記錄，此時(shí)系統(tǒng)中的某一節(jié)點(diǎn)A會(huì)接收到該筆交易的相關(guān)信息，網(wǎng)絡(luò)層同時(shí)會(huì)自動(dòng)將其進(jìn)行全網(wǎng)廣播，使所有節(jié)點(diǎn)都能夠收到交易C的相關(guān)信息。第一次廣播后，網(wǎng)絡(luò)中的另一個(gè)節(jié)點(diǎn)B選擇將該項(xiàng)交易記錄打包到生成的借閱信息區(qū)塊鏈中，在節(jié)點(diǎn)B完成計(jì)算后，網(wǎng)絡(luò)層會(huì)將包含交易C內(nèi)容的區(qū)塊再次全網(wǎng)廣播，其他的用戶節(jié)點(diǎn)也會(huì)將其進(jìn)行封存。具體傳播驗(yàn)證流程如圖5所示。

1.3 激勵(lì)層

激勵(lì)層規(guī)定了平臺(tái)代幣的發(fā)行和分配規(guī)則，相關(guān)書籍拍賣業(yè)務(wù)，保證了人—書—代幣借閱模式的實(shí)現(xiàn)。

1.3.1 代幣機(jī)制

在此基于區(qū)塊鏈的去中心化圖書借閱系統(tǒng)中，所有借閱活動(dòng)以及平臺(tái)相關(guān)服務(wù)的實(shí)現(xiàn)都依賴于平臺(tái)代幣，代幣的發(fā)放與流轉(zhuǎn)從很大程度上來(lái)說(shuō)決定了用戶的借閱行為以及借閱積極性。

本文中代幣機(jī)制具體指用戶在該借閱平臺(tái)上所進(jìn)行的相關(guān)借閱活動(dòng)都通過(guò)代幣的交易進(jìn)行，如用戶A需要同用戶B借入一本書籍，則需付出與用戶B協(xié)商后的代幣價(jià)，交易成功后，平臺(tái)會(huì)自動(dòng)從A的賬戶中扣減相應(yīng)代幣數(shù)，并在B的賬戶中加上相應(yīng)代幣數(shù)。除了傳統(tǒng)的借閱業(yè)務(wù)以外，用戶同樣可以通過(guò)平臺(tái)的簽到與書評(píng)撰寫功能獲得代幣。用戶在初次使用平臺(tái)時(shí)系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)發(fā)放一定數(shù)量的代幣。代幣的累計(jì)以一學(xué)年為一個(gè)周期，每個(gè)期末用戶都可以用該期剩余代幣兌換圖書館的相關(guān)周邊、禮品、服務(wù)等。新的學(xué)年所有用戶的代幣將自動(dòng)恢復(fù)到初始值。

為保證各參與方的行為得到有效約束[16]，避免在圖書館借閱場(chǎng)景中，若借閱者對(duì)書籍情況、借閱時(shí)間地點(diǎn)、交易金額進(jìn)行虛假、錯(cuò)誤填報(bào)，從而導(dǎo)致新的區(qū)塊生成有誤，借還交易無(wú)法正常進(jìn)行，最后導(dǎo)致整個(gè)借閱系統(tǒng)的崩塌。故平臺(tái)還會(huì)根據(jù)用戶的相關(guān)借閱行為進(jìn)行信用評(píng)級(jí)，對(duì)信用較差的借閱行為進(jìn)行代幣扣減懲罰，在規(guī)范用戶借閱行為的同時(shí)，保證該激勵(lì)體系的正常運(yùn)行。

在該機(jī)制的運(yùn)行下，用戶能夠獲取代幣的主要業(yè)務(wù)有：書籍拍賣、書籍評(píng)論、平臺(tái)簽到以及其他能夠證明用戶活躍度的活動(dòng);用戶需要損耗代幣的主要業(yè)務(wù)有：書籍拍賣、平臺(tái)廣播等活動(dòng)以及交易失信、交易違規(guī)等不符合平臺(tái)規(guī)則的行為。

1.3.2 書籍“拍賣”

由于該機(jī)制涉及到借閱者之間的自由交易，故當(dāng)出現(xiàn)同一本書籍面對(duì)多個(gè)借入者的情況時(shí)，本文提出通過(guò)書籍“拍賣”來(lái)實(shí)現(xiàn)資源的合理分配，這里“拍賣”的內(nèi)涵其實(shí)就是借閱。

借閱者初次使用此借閱平臺(tái)時(shí)，需要先進(jìn)行身份驗(yàn)證，驗(yàn)證方式以用戶學(xué)號(hào)或者身份證號(hào)為主，基于用戶的注冊(cè)信息，信息鏈會(huì)隨即產(chǎn)生一對(duì)密鑰Pa和Pb。由于平臺(tái)中的每一個(gè)用戶都有可能成為交易書籍的借出方和借入方，因此根據(jù)用戶所提供的相關(guān)書籍信息，信息鏈會(huì)生成節(jié)點(diǎn)的公鑰和私鑰，在交易過(guò)程中，借出者需提供持有書籍的私鑰加密信息，由系統(tǒng)根據(jù)相關(guān)書籍的公鑰證明其持有該書籍的身份事實(shí)。網(wǎng)絡(luò)內(nèi)活躍的節(jié)點(diǎn)將信息收集打包生成新的區(qū)塊并廣播，通過(guò)共識(shí)機(jī)制寫入?yún)^(qū)塊鏈。所有的書籍競(jìng)拍記錄以及交易記錄都會(huì)被放入到鏈中。交易鏈一方面會(huì)根據(jù)身份、位置以及拍賣代幣數(shù)進(jìn)行借入、借出者之間的匹配，另一方面能夠履行智能合約并完成結(jié)算。

不同于其他的拍賣系統(tǒng)，基于區(qū)塊鏈的圖書借閱平臺(tái)將借入者與借出者之間的地理位置遠(yuǎn)近及借入者的最大容忍時(shí)間優(yōu)先進(jìn)行匹配，匹配分?jǐn)?shù)最高的借入者優(yōu)先與借出者進(jìn)行協(xié)議，若二者在代幣交易金額上達(dá)成一致則視為交易成功;若失敗，借出者將會(huì)在借入者的最大容忍時(shí)間內(nèi)與匹配分?jǐn)?shù)次高者交易，依此類推。若借入者等待的時(shí)間超出了開始所設(shè)定的最大容忍時(shí)間，則系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)刪除此筆訂單，該借入者可以選擇與其他借出者交易或去圖書館完成交易。由于每次交易都是借入者與借出者的實(shí)體交接，該規(guī)則不僅可以從空間距離上提高每次借閱的時(shí)間效率，還能使書籍流入到最需要的地方。該拍賣流程可由圖6拍賣流程進(jìn)行表示：

通過(guò)對(duì)拍賣算法的改進(jìn)[17]，此拍賣機(jī)制所采用的匹配算法可表示如下：

（1）

其中表示借入者與借出者的總匹配值，表示借入者與借出者之間的時(shí)間匹配值，表示借入者與借出者之間的距離匹配值。為一個(gè)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)定的值，用來(lái)控制時(shí)間匹配值與距離匹配值所占需求訂單與借出者之間匹配值的比重。

當(dāng)匹配運(yùn)算完成后，系統(tǒng)自動(dòng)為借出者B匹配到最優(yōu)配A，二者根據(jù)系統(tǒng)匹配結(jié)果執(zhí)行智能合約，其內(nèi)容大致包括交易代幣數(shù)、交易時(shí)間、交易地點(diǎn)及具體的責(zé)任劃分等。由借出者負(fù)責(zé)將相應(yīng)信息記錄到區(qū)塊鏈中。當(dāng)交易根據(jù)智能合約執(zhí)行時(shí)可由表4進(jìn)行過(guò)程描述。

1.3.3 人—書—代幣的借閱模式

在代幣機(jī)制的作用下，基于區(qū)塊鏈的圖書借閱平臺(tái)采用的是人—書—代幣的借閱模式，即需求者與書籍持有者之間的書籍交接都通過(guò)代幣流轉(zhuǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)，該借閱模式作用于平臺(tái)的書籍拍賣功能中，其用戶端流程化視角可由表5進(jìn)行呈現(xiàn)。

書籍需求者通過(guò)平臺(tái)發(fā)出自己的書籍需求并提供地點(diǎn)及最大容忍時(shí)間后，若僅有一位用戶對(duì)該書籍有需求，則書籍需求者與持有者可直接進(jìn)行協(xié)議;若同時(shí)有多名用戶都對(duì)該本書籍存在需求，則系統(tǒng)自動(dòng)匹配需求者及相應(yīng)的書籍持有者。交易成功后的每一筆業(yè)務(wù)系統(tǒng)都會(huì)進(jìn)行全網(wǎng)廣播并記入到區(qū)塊鏈中。

1.4 合約層

合約層封裝區(qū)塊鏈系統(tǒng)的各類腳本代碼、算法以及由此生成的自動(dòng)執(zhí)行的智能合約。在此系統(tǒng)中，交易查詢、書籍溯源查詢等設(shè)備訪問(wèn)權(quán)限認(rèn)證以及訪問(wèn)控制管理需要同區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行交互。而與區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的途徑就是使用合法身份調(diào)用智能合約（鏈碼）提供的服務(wù)接口[18]。合約層可利用智能合約實(shí)現(xiàn)注冊(cè)用戶身份，借閱書籍的流轉(zhuǎn)查詢等。如表6為用戶進(jìn)行注冊(cè)，表7為查詢書籍去向的合約。

1.5 應(yīng)用層

應(yīng)用層主要通過(guò)前端的圖書借閱網(wǎng)站實(shí)現(xiàn)與用戶的聯(lián)通與交互，網(wǎng)站用HTML、CSS、JavaScript等語(yǔ)言進(jìn)行編寫，詳見(jiàn)下文系統(tǒng)應(yīng)用。

2 系統(tǒng)應(yīng)用和實(shí)證結(jié)果

2.1 圖書借閱系統(tǒng)平臺(tái)的基本功能與流程

基于區(qū)塊鏈的去中心化圖書借閱系統(tǒng)主要包含登錄注冊(cè)、代幣獲取、書籍借閱、書評(píng)撰寫、年終禮品兌換等功能模塊。

登陸注冊(cè)：首次使用該平臺(tái)的用戶要求在平臺(tái)的注冊(cè)界面上傳自己的身份信息進(jìn)行注冊(cè)。如高校圖書館可要求借閱者上傳自己的學(xué)號(hào)、身份證號(hào)等進(jìn)行身份驗(yàn)證，完成用戶名、密碼、代幣支付密碼設(shè)置即視為注冊(cè)成功，過(guò)程方便快捷。注冊(cè)完成后可直接在登錄頁(yè)面進(jìn)行系統(tǒng)登錄。

代幣獲?。鹤鳛閮H流通于借閱系統(tǒng)中的虛擬貨幣，代幣可以通過(guò)簽到、書評(píng)撰寫、書籍拍賣等途徑獲得，主要用于書籍借閱、書籍拍賣年終禮品兌換等平臺(tái)服務(wù)。通過(guò)支付代幣，借閱者間可實(shí)現(xiàn)書籍的流通，同時(shí)，代幣的多少可以成為衡量借閱者活躍度及信用的標(biāo)準(zhǔn)，與借閱者所享受到的借閱服務(wù)質(zhì)量相關(guān)。此機(jī)制的存在能夠更好規(guī)范讀者的借閱行為，提高讀者的閱讀積極性。

書籍借閱：借閱業(yè)務(wù)可以分為普通借閱和書籍拍賣兩種。普通借閱即指借閱者通過(guò)平臺(tái)廣播自己的借閱需求，持有書籍者進(jìn)行回應(yīng)，雙方協(xié)商交易地點(diǎn)，完成借閱;而書籍拍賣指一本書籍同時(shí)存在多個(gè)需求者，在該情形下，需要啟用平臺(tái)的書籍拍賣功能。依據(jù)上文所述的拍賣規(guī)則，用戶需提供自己的地理位置與最大容忍時(shí)間，最終匹配值最高者優(yōu)先與實(shí)際持有者進(jìn)行協(xié)商并進(jìn)行代幣交易。交易數(shù)據(jù)形成區(qū)塊加入到區(qū)塊鏈中，實(shí)現(xiàn)借還書的離散化。

書評(píng)撰寫：書評(píng)是由借閱者所撰寫的參考性短評(píng)，以書名進(jìn)行分類，一方面可以幫助后來(lái)讀者了解該書，決定是否進(jìn)行借閱，另一方面可以幫助圖書館了解當(dāng)下的熱門書籍，從而調(diào)整采購(gòu)計(jì)劃。每撰寫一條書評(píng)，都可獲取相應(yīng)代幣。

年終禮品兌換：為了提高借閱服務(wù)的質(zhì)量及人性化體驗(yàn)，平臺(tái)用戶可以用自己在一個(gè)統(tǒng)計(jì)年度末剩余的代幣兌換禮品，此處的禮品包括但不限于圖書館的平臺(tái)服務(wù)、圖書館周邊、書籍代金券等。

2.2 拍賣規(guī)則示例

假設(shè)在一個(gè)拍賣場(chǎng)景中，有兩個(gè)借出者分別是甲和乙，有四個(gè)借入者，分別是1、2、3、4;此時(shí)借入者1和4 同時(shí)向甲發(fā)出競(jìng)拍需求，其與甲的空間距離分別為1km、0.8km，時(shí)間需求為1.5d內(nèi)、1d內(nèi);借入者1、2、3同時(shí)向乙發(fā)出競(jìng)拍需求，其與乙的空間距離分別為1.5km、2.2km、0.8km，時(shí)間需求為1d內(nèi)、1.5d內(nèi)、3d內(nèi)。具體的借出者與借入者間的地理位置如圖7所示。

系統(tǒng)根據(jù)拍賣算法先計(jì)算各借入者與借出者之間的空間匹配值與時(shí)間匹配值，再根據(jù)具體情況或?qū)嶋H經(jīng)驗(yàn)確定γ從而得出最優(yōu)匹配。假設(shè)此時(shí)我們將γ設(shè)置為1.2，即更加看重空間距離因素在匹配過(guò)程中的作用，則我們可以得出最優(yōu)配（甲，4）與（乙，1）。此時(shí)甲優(yōu)先與借入者4協(xié)議交易代幣數(shù)，二者達(dá)成一致，交易成功，智能合約作用，代幣轉(zhuǎn)入甲的賬戶中，二者進(jìn)行實(shí)體交接，甲將相關(guān)的交易信息計(jì)入到區(qū)塊鏈中。乙優(yōu)先與借入者1協(xié)議交易代幣數(shù)，二者未達(dá)成一致;由于借入者2、3此時(shí)都處于最大容忍時(shí)間內(nèi)，乙接下來(lái)與匹配值次高者借入者3協(xié)議交易代幣數(shù)，二者達(dá)成一致，交易成功，智能合約作用，代幣轉(zhuǎn)入乙的賬戶中，二者進(jìn)行實(shí)體交接，乙將相關(guān)交易信息計(jì)入到區(qū)塊鏈中。匹配值結(jié)算表見(jiàn)表8和表9。

2.3 基于匹配值的排隊(duì)系統(tǒng)優(yōu)先級(jí)設(shè)定

排隊(duì)系統(tǒng)與匹配機(jī)制單方面都可以實(shí)現(xiàn)書籍借出者與書籍借入者之間的配對(duì)，但二者都存在一定的缺陷。

如果整個(gè)配對(duì)過(guò)程的實(shí)現(xiàn)單單依靠排隊(duì)系統(tǒng)，則根據(jù)先到先服務(wù)的服務(wù)規(guī)則，系統(tǒng)在業(yè)務(wù)處理方面雖然達(dá)到了絕對(duì)公平但卻大大欠缺效率。如書籍需求者A的時(shí)間距離匹配總值為0.7，而書籍需求者B的時(shí)間距離匹配總值為0.2，但由于B比A先進(jìn)入到該排隊(duì)系統(tǒng)中，故A只能在B進(jìn)行協(xié)議后之后才能取得與書籍拍賣者C進(jìn)行協(xié)商交易的機(jī)會(huì)，顯然，在書籍需求者的最大容忍時(shí)間與空間距離上，B與C的配對(duì)都不是最優(yōu)的，故該機(jī)制運(yùn)行的效率還有待提升。

若整個(gè)配對(duì)過(guò)程僅僅以書籍需求者的匹配值大小為依據(jù)，系統(tǒng)雖然能夠保證每一次配對(duì)都達(dá)到時(shí)間與空間上的最佳，但在交易順序的公平性上卻有待提升。如書籍需求者A的匹配總值為0.75，而書籍需求者B的匹配總值為0.73，雖然A的匹配值要優(yōu)于B，但B先于A到達(dá)排隊(duì)系統(tǒng)且二者的匹配值差距很小，若此時(shí)，規(guī)定匹配值高的A先與書籍拍賣者C進(jìn)行協(xié)商交易，則對(duì)B來(lái)說(shuō)是不公平的，故該機(jī)制運(yùn)行的公平性還有待提升。

為了保證該系統(tǒng)運(yùn)行兼顧效率和公平，本文提出了基于匹配值的排隊(duì)系統(tǒng)優(yōu)先級(jí)設(shè)定規(guī)則，即系統(tǒng)會(huì)根據(jù)用戶的匹配值大小對(duì)用戶進(jìn)行身份優(yōu)先級(jí)的劃分。我們?cè)O(shè)定一個(gè)匹配臨界值td 并將用戶分為兩個(gè)優(yōu)先級(jí)，匹配值大于td的群體為優(yōu)先群體，屬于優(yōu)先群體的個(gè)體將按照先到先服務(wù)的順序在與拍賣者交涉的隊(duì)列中進(jìn)行排隊(duì)等候;而匹配值小于td的群體為候選群體，隨著時(shí)間流逝，候選群體中的個(gè)體時(shí)間匹配值會(huì)有所上升從而導(dǎo)致該個(gè)體的總匹配值上升，當(dāng)匹配值超過(guò)匹配臨界值td時(shí)，該候選個(gè)體將會(huì)被自動(dòng)歸為優(yōu)先個(gè)體，直接加入優(yōu)先群體的隊(duì)尾進(jìn)行排隊(duì)，屬于候選群體的個(gè)體也將按照先到先服務(wù)的順序被提升為優(yōu)先群體。在同一本書籍交易中，當(dāng)隊(duì)伍前面已經(jīng)有人達(dá)成與拍賣者的交易協(xié)定時(shí)，則系統(tǒng)自動(dòng)解散該隊(duì)列。圖8展示的是基于匹配值的排隊(duì)系統(tǒng)優(yōu)先級(jí)設(shè)定的模型圖。

2.4 系統(tǒng)性能仿真結(jié)果

檢測(cè)器檢測(cè)指標(biāo)主要包含平均等待隊(duì)長(zhǎng)Lq，即借閱系統(tǒng)中等待服務(wù)的用戶平均數(shù);平均隊(duì)長(zhǎng)L，即借閱系統(tǒng)中正在進(jìn)行交易的用戶平均數(shù);借閱業(yè)務(wù)平均逗留時(shí)間W，即進(jìn)入系統(tǒng)的用戶逗留時(shí)間的平均值;以及平均等待時(shí)間Wq，即進(jìn)入系統(tǒng)的用戶等待時(shí)間的平均值。

假設(shè)每小時(shí)有44位用戶進(jìn)入到服務(wù)隊(duì)列，可得以下表10所示的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。

現(xiàn)將該基于區(qū)塊鏈的借閱系統(tǒng)效率與圖書館的傳統(tǒng)借閱業(yè)務(wù)的完成效率進(jìn)行對(duì)比，假設(shè)借閱者到達(dá)圖書館的強(qiáng)度同樣也為44（人/時(shí)），即每小時(shí)有44位讀者進(jìn)入到服務(wù)隊(duì)列，每位館員的服務(wù)能力μ=20，分別在3個(gè)工作臺(tái)在進(jìn)行工作。同樣用M/M/C排隊(duì)模型進(jìn)行建模，可以得到表11所示的性能指標(biāo)的具體數(shù)據(jù)。

通過(guò)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，在業(yè)務(wù)以同樣的強(qiáng)度到達(dá)時(shí)，基于區(qū)塊鏈的借閱系統(tǒng)中的平均等待隊(duì)長(zhǎng)0.297101短于傳統(tǒng)借閱模式中的平均等待隊(duì)長(zhǎng)1.473017，借閱系統(tǒng)中正在進(jìn)行交易的用戶平均數(shù)分別為2.457172與3.67131，同樣是后者高于前者。而在借閱業(yè)務(wù)平均逗留時(shí)間與平均等待時(shí)間兩個(gè)性能指標(biāo)上，傳統(tǒng)借閱模式的用時(shí)均高于基于區(qū)塊鏈的借閱系統(tǒng)的用時(shí)。

3 結(jié)語(yǔ)

區(qū)塊鏈技術(shù)包含著契合圖書館發(fā)展的要素，區(qū)塊鏈理念及技術(shù)能夠?yàn)閳D書館管理、服務(wù)與建設(shè)等提供新思維、新技術(shù)，勢(shì)必給圖書館事業(yè)的發(fā)展帶來(lái)新的機(jī)遇。針對(duì)目前高校圖書館普遍面臨的館藏空間資源不足的問(wèn)題，本文應(yīng)用區(qū)塊鏈技術(shù)搭建起了一個(gè)離散化借閱模型。該系統(tǒng)架構(gòu)主要為區(qū)塊鏈應(yīng)用層、合約層、激勵(lì)層、網(wǎng)絡(luò)層和數(shù)據(jù)層五層結(jié)構(gòu)間的交互。在底部數(shù)據(jù)層中，所有借閱數(shù)據(jù)與讀者信息都會(huì)被自動(dòng)存儲(chǔ)在區(qū)塊鏈上并蓋上時(shí)間戳，公開透明可追溯，此外還有一個(gè)與區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)同步的數(shù)據(jù)庫(kù)作為備份。該數(shù)據(jù)庫(kù)連接一個(gè)接口給區(qū)塊鏈運(yùn)維，由此可以實(shí)現(xiàn)基于用戶客戶端的區(qū)塊鏈交易記錄（分布式存儲(chǔ)），可以重新構(gòu)建全庫(kù)數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)庫(kù)變成一個(gè)大備份。網(wǎng)絡(luò)層主要用于擺放平臺(tái)廣播，進(jìn)行系統(tǒng)內(nèi)、外部接口的調(diào)用。激勵(lì)層在代幣機(jī)制作用下運(yùn)行并衍生出了“人—書—代幣”的借閱模式，平臺(tái)特有的書籍拍賣機(jī)制也需要激勵(lì)層作用。系統(tǒng)通過(guò)工作量證明機(jī)制達(dá)成共識(shí)，每一筆交易的實(shí)施都嚴(yán)格按照封裝在合約層中的智能合約進(jìn)行，應(yīng)用層將以借閱網(wǎng)站的形式呈現(xiàn)在用戶面前，界面友好，操作簡(jiǎn)潔?；趨^(qū)塊鏈應(yīng)用于圖書借閱中的設(shè)想，本文還提出通過(guò)Petri網(wǎng)進(jìn)行仿真，利用M/M/C模型對(duì)區(qū)塊鏈中的內(nèi)存池進(jìn)行建模，驗(yàn)證系統(tǒng)的可行性及有效性。

將區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用于圖書館領(lǐng)域，不僅實(shí)現(xiàn)了離散化借閱，節(jié)省了圖書館所需的館藏空間，信用體系的重塑也在減弱圖書館平臺(tái)在借閱過(guò)程中所發(fā)揮的媒介作用的同時(shí)，加強(qiáng)了管理人員對(duì)每一本書籍的監(jiān)管作用。此外，區(qū)塊鏈技術(shù)還能夠在平臺(tái)功能的開發(fā)中提高圖書館借閱服務(wù)的精度，提高借閱平臺(tái)的安全性能，在“區(qū)塊鏈+”的時(shí)代背景下，圖書館現(xiàn)有的借閱形式、服務(wù)深度、管理體制及業(yè)務(wù)范圍都將面臨革新與升級(jí)。

同時(shí)，本文也存在著一些不足之處：（1）由于將區(qū)塊鏈用于圖書借閱的機(jī)制還未曾施行，故文中所用的大部分?jǐn)?shù)據(jù)都為仿真數(shù)據(jù)，缺乏實(shí)證數(shù)據(jù);（2）平臺(tái)的落地實(shí)現(xiàn)需要業(yè)務(wù)部門的服務(wù)作為支撐，因此該機(jī)制的運(yùn)行還需對(duì)圖書館部門職能的分配進(jìn)行調(diào)整并對(duì)相關(guān)人員進(jìn)行培訓(xùn);（3）“藏書于民”的館藏圖書概念還有待普及，民眾的認(rèn)可度還有待加強(qiáng)。

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張栩銘 上海理工大學(xué)管理學(xué)院國(guó)際經(jīng)濟(jì)與貿(mào)易系本科生。 上海，200093。

宋雨軒 上海理工大學(xué)管理學(xué)院管理科學(xué)與工程本科生。 上海，200093。

李仁德 上海理工大學(xué)圖書館副研究館員。 上海，200093。

（收稿日期：2021-06-30 編校：謝艷秋，曹曉文）