區(qū)塊鏈在氣象遠程培訓中的應用探討＊

劉曉玲，胡貴華，王永鋒

(1.中國氣象局氣象干部培訓學院，北京 100081；2.湖北省氣象局)

0 引言

氣象遠程培訓起步于上個世紀末，經歷了磁帶、光盤教材、9210 衛(wèi)星單收站廣播，網絡教育等階段。目前氣象遠程培訓暴露出許多問題：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培訓認證問題；④遠程培訓互動問題。本文將探討利用區(qū)塊鏈技術解決這些問題。

1 區(qū)塊鏈技術

區(qū)塊鏈是集點對點動態(tài)組網、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，是一種效率和信任的交換，其不可篡改、全程留痕、集體維護、公開透明等特點，為區(qū)塊鏈創(chuàng)造信任奠定了基礎[2]。區(qū)塊鏈技術的集成應用，在新的技術革新和產業(yè)變革中起著重要作用。在區(qū)塊鏈中，每個區(qū)塊都可以在數據庫中增加新的內容，其他節(jié)點均可共享，信息公開透明，不可篡改（除非擁有超過51%的區(qū)塊權限[3]）。區(qū)塊鏈寫入數據實時、有序、不可偽造，信息永久保存，可記錄、可追溯。數據在區(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，接收方核驗發(fā)現不正確就會拒絕。這樣可以解決信息不對稱問題、實現多個主體之間的協作信任與一致行動，在工作中可以簡化交易和管理流程，降低人力、物力成本。同時它可跟蹤學員網絡學習賬號、報名、學習、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節(jié)，從而賦予學員學習的信心和機會及學習興趣，提高培訓效率。

有了區(qū)塊鏈技術的發(fā)展，加上大數據、云計算、人工智能、3D、VR/AR等新技術的不斷演進，下一步混合現實課堂的出現是發(fā)展的必然結果，而區(qū)塊鏈是混合課堂實現的信任與共識的基石與支撐。隨著技術發(fā)展，成本走低，混合現實課堂普及也不會僅僅是夢想?；旌犀F實課堂融合了虛擬世界、增強現實和互聯網，是基礎設施建設、空間計算、人機交互，感官傳感器等集成。可以為用戶實現有序、實時、多終端、可創(chuàng)造的沉浸式體驗。對于教育培訓來說，將面授培訓搬家到混合現實數字化課堂，可以實現面授無法實現的空間自由轉換，且會增加更為豐富的互動關系，極具趣味性和吸引力。

2 區(qū)塊鏈在氣象遠程培訓領域的應用

相對于金融、網商和物流行業(yè)，區(qū)塊鏈技術在氣象培訓領域還沒有得到切實應用。由于多個平臺之間獨立運行，沒有互通，多身份使得相互導入數據需要人工比對或用辦公軟件查重，缺乏信任機制，信息無法共享，因此需要探討如何在氣象遠程培訓領域引入區(qū)塊鏈技術。

區(qū)塊鏈不可篡改的特點，可以為記錄教師教學和學員學習證明提供解決方案，教師可以不用單獨申請再開授課證明，學員的學習記錄也很難造假，信息公開透明。區(qū)塊鏈分布式存儲的特點可以打通各個平臺之間的數據不統(tǒng)一性，在區(qū)塊鏈頭中包含的哈希指針指向某一學員的唯一特征代碼即可實現信息和數據共享，形成共識機制，共識機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現國家級、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 模型構建

目前氣象遠程教育網上主要是學員信息、報名信息、學習資源、學員異步學習檔案，教學管理平臺是學員報名信息、課程評價、培訓總結與結業(yè)證信息，氣象E 堂為手機端課程評價系統(tǒng)，虛擬實訓平臺是利用虛擬仿真軟件開發(fā)的課件學習平臺，其他幾個平臺主要是遠程直播學習信息數據。這幾個平臺的共同點是面向氣象部門全員或其他行業(yè)從事氣象服務的相關人員，每個人都有上這多個平臺學習的機會，每個平臺系統(tǒng)里都會存儲相關的培訓信息，目前實際情況如圖1所示。

圖1 氣象培訓現狀圖

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

圖2 氣象培訓區(qū)塊鏈

唯一識別ID 可以使用現在培訓氣象部門職工ID（經修訂、去重，保證一人一ID 后使用），亦可以采用身份證作為唯一標識，若以身份證為例，唯一識別ID 即身份證號。學員登錄時的唯一識別ID 數據庫鏈接在每個培訓區(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。

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

圖3 氣象職工培訓區(qū)塊鏈模型

2.2 技術方案探究

目前區(qū)塊鏈技術正處于理論向實踐轉換階段，國內外對于區(qū)塊鏈技術的投入使用正逐步展開，主要的應用成果集中在物流供應、銀行保險、數字貨幣等方面，在教育培訓領域尚未有成熟的應用產品。從發(fā)展的角度來看，向實際應用轉換其實是區(qū)塊鏈思想的實現。實施首先要保證技術的先進性。解決目前氣象網絡培訓存在的問題是要實現多平臺融合，實現數據共享，解決人員身份重疊，結束各個平臺（區(qū)塊）的孤立運行狀態(tài)，改造需要有先進的設計思想與技術理念。設計時要從系統(tǒng)安全、分布共享、可擴展、監(jiān)管機制、共識機制幾個方面考慮，同時考慮教師、學員使用平臺的友好性、便捷性和管理員維護的成本。

2.2.1 用戶端視角

學員登錄時，不管從氣象培訓哪個網址鏈接，或哪個培訓手機應用進入，始終使用同一個ID 登錄，密碼可以修改，但ID 不變，是唯一標識，應用可以更新和無限擴展，學員的學習記錄不論從哪個平臺進入都可以看到所有平臺的記錄（圖4），能實現培訓記錄一覽無余是因為每個區(qū)塊能夠從其父區(qū)塊獲取數據信息（見圖3）。

圖4 用戶端模型

2.2.2 架構設計

從氣象網絡培訓服務學員的角度，結合歷年培訓經驗和需求分析設計以下架構[4]（圖5）。

圖5 技術架構圖

數據層存儲各個培訓平臺學習資源、學員學習數據、人員數據、數據加密、數字簽名、時間戳等。區(qū)塊鏈中數據加密主要是哈希函數和Merkle 樹的應用，可以采用單鏈也可以用效率更高一點的二叉樹鏈-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；數字簽名是只有學習平臺資源才能產生的別人無法偽造的一段數字串，可以作為學員身份和學習記錄的有效證明；時間戳記錄學習或其他操作的時間唯一性。

圖6 加密Merkle樹

網絡層是信息點到點傳輸，并參與數據的校驗。

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

應用層面向用戶終端，用戶登錄后，可到各個平臺學習，各平臺的學習入口界面是實際運用區(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行數據隱私保護，這就會用到數據加密，加密是以一種“除接收者外任何人都無法解密的方式[5]”對消息進行編碼，其他人無法讀取和理解數據格式，以此來保護數據免受攻擊。區(qū)塊鏈主要用到了兩個加密技術：哈希和簽名。哈希函數是非對稱加密技術，在本地會產生一對公鑰和私鑰，公鑰加密，私鑰解密，但由于區(qū)塊鏈技術是去中心化的，私鑰一旦丟失就無法找回，因此在應用區(qū)塊鏈技術時還不能完全使用去中心化原則，要在氣象干部學院層面（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限人員可讀。

每位學員登錄時由本機客戶端使用私鑰解密登錄信息后發(fā)送給服務器，服務器接收后采用該客戶端的公鑰加密信息并認證登錄。區(qū)塊鏈服務器端存儲學員的公鑰，學員學習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，數據增加修改等操作都會有記錄，可以避免數據的篡改，確保數據安全，數據簽名時私鑰加密，公鑰解密，可以確保數字簽名的歸屬，在管理員查詢學員學習情況可以確認真假。

2.4 激勵與認證

在區(qū)塊鏈技術應用階段，學習逐漸轉換為一種數字資產[6]，是對學員能力的一種數字化量度。區(qū)塊鏈技術的共識機制是區(qū)塊中所有結點達成的共識，從而認定一個記錄的有效性，每位學員的學習類似于比特幣的挖礦，要真正學到業(yè)務知識，這個區(qū)塊結點才可以被承認，能夠作為工作量證明被大家達成共識的認可，而每挖到一個區(qū)塊，會得到系統(tǒng)獎勵，學的課程越多，獎勵也越多，這樣可以激勵學員不斷學習進步，提升業(yè)務素質和能力。相對應，對于不同學習要求的課程要設計不同的形式，了解、掌握、熟練掌握的課程對應不同的考核方式。

學習認證方面，由于區(qū)塊鏈技術中具有的共識機制，可以達成雙方的互相信任?；趨^(qū)塊鏈中可信、不可篡改的數據，智能合約可以自動化地執(zhí)行一些預先定義好的規(guī)則和條款，對于學員的學習檔案，單位可以導出和認證，不必讓學員再去找培訓方審定和蓋章，由于數據公開透明，管理員可以從區(qū)塊鏈中獲取學員學習信息，作為學習證明。

3 在區(qū)塊鏈基礎上建立氣象遠程培訓混合現實課堂

氣象遠程培訓包括異步在線學習與同步直播課堂。對于宣貫類課程，異步學習目前可以基本滿足要求。對于實習實訓類課程，比如雷達、自動觀測等儀器的維修維護，故障排查等課程，需要較強的交流互動和實習操作過程，老師要在培訓過程中點評學員作業(yè)或操作，及時發(fā)現和糾正學員理解的偏差。目前的遠程直播平臺及其課件還不能完美模擬實習場景并替代面授課堂，在區(qū)塊鏈技術、VR/AR 已開始應用的情況下，可以打造一個基于區(qū)塊鏈技術的混合現實課堂。

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員反映網絡卡頓，卡頓原因可能出現在授課老師上行段，也可能是在學員收看的下行接收端，視各地當時的網絡情況而定（圖7）。只是視頻流尚且有這樣的情況出現，如果在網絡上運行混合實訓課程，交互性更多，訪問服務器更頻繁，中心服務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，因區(qū)塊鏈屬于分布式存儲結構，可以在各地有自己的服務器分攤算力，減輕總服務器壓力，使得網速更快，減小延遲，無壓力運行大程序，這也為虛擬實訓課堂建立了新基建基礎。人類進入信息時代、感知時代和大數據時代，區(qū)塊鏈的發(fā)展也會推動混合現實課程的進一步網絡應用。

4 思考

區(qū)塊鏈技術是去中心化的，缺乏一定的監(jiān)管機制，在使用中對于密碼和一些權限應該仍保留中心化功能，實踐中把區(qū)塊鏈值得借鑒的新思想落實，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學院的多平臺融合是能夠起到作用的。培訓的目的是提高學員技能和素質，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]，需要在實際使用中不斷調整，取得相對平衡。至少目前通過分析看到，在氣象遠程培訓中采用區(qū)塊鏈技術是適當的，其優(yōu)勢也是明顯的，它可以建立多平臺的互聯、多身份融合、建立信任機制，學習記錄、平臺操作可追溯，信息可共享，防止單服務器故障、數據丟失，簡化工作流程，降低培訓成本。

本文探討了區(qū)塊鏈技術在氣象培訓領域的應用前景。氣象部門也正嘗試使用區(qū)塊鏈思想實現各個平臺間的互通互聯，實現數據共建、共享，區(qū)塊鏈的分布式存儲結構也可以幫助培訓教學實現低延遲的互動直播，使學員獲得較好的學習體驗。