区块链在气象远程培训中的应用探讨＊

刘晓玲，胡贵华，王永锋

(1.中国气象局气象干部培训学院，北京 100081；
2.湖北省气象局)

气象远程培训起步于上个世纪末，经历了磁带、光盘教材、9210 卫星单收站广播，网络教育等阶段。目前气象远程培训暴露出许多问题：①多平台问题，为了新功能而另建平台所致；
②多身份问题；
③培训认证问题；
④远程培训互动问题。本文将探讨利用区块链技术解决这些问题。

区块链是集点对点动态组网、分布式存储、共识算法、非对称加密、智能合约等于一体的综合性技术，是一种效率和信任的交换，其不可篡改、全程留痕、集体维护、公开透明等特点，为区块链创造信任奠定了基础[2]。区块链技术的集成应用，在新的技术革新和产业变革中起着重要作用。在区块链中，每个区块都可以在数据库中增加新的内容，其他节点均可共享，信息公开透明，不可篡改（除非拥有超过51%的区块权限[3]）。区块链写入数据实时、有序、不可伪造，信息永久保存，可记录、可追溯。数据在区块链上广播，其他区块都有记录，想篡改需要修改所有区块，接收方核验发现不正确就会拒绝。这样可以解决信息不对称问题、实现多个主体之间的协作信任与一致行动，在工作中可以简化交易和管理流程，降低人力、物力成本。同时它可跟踪学员网络学习账号、报名、学习、考试、评价等信息，所有成员之间共享单一可信视图，可以简化端到端所有的细节，从而赋予学员学习的信心和机会及学习兴趣，提高培训效率。

有了区块链技术的发展，加上大数据、云计算、人工智能、3D、VR/AR等新技术的不断演进，下一步混合现实课堂的出现是发展的必然结果，而区块链是混合课堂实现的信任与共识的基石与支撑。随着技术发展，成本走低，混合现实课堂普及也不会仅仅是梦想。混合现实课堂融合了虚拟世界、增强现实和互联网，是基础设施建设、空间计算、人机交互，感官传感器等集成。可以为用户实现有序、实时、多终端、可创造的沉浸式体验。对于教育培训来说，将面授培训搬家到混合现实数字化课堂，可以实现面授无法实现的空间自由转换，且会增加更为丰富的互动关系，极具趣味性和吸引力。

相对于金融、网商和物流行业，区块链技术在气象培训领域还没有得到切实应用。由于多个平台之间独立运行，没有互通，多身份使得相互导入数据需要人工比对或用办公软件查重，缺乏信任机制，信息无法共享，因此需要探讨如何在气象远程培训领域引入区块链技术。

区块链不可篡改的特点，可以为记录教师教学和学员学习证明提供解决方案，教师可以不用单独申请再开授课证明，学员的学习记录也很难造假，信息公开透明。区块链分布式存储的特点可以打通各个平台之间的数据不统一性，在区块链头中包含的哈希指针指向某一学员的唯一特征代码即可实现信息和数据共享，形成共识机制，共识机制中包含每个人的工作量证明、各操作证明。区块链的智能合约可以实现国家级、省/地/市/县各级气象台站员工个人多个主体之间的协作信任，保证所有信息共享，从而简化工作流程，提高工作效率、降低沟通成本。

2.1 模型构建

目前气象远程教育网上主要是学员信息、报名信息、学习资源、学员异步学习档案，教学管理平台是学员报名信息、课程评价、培训总结与结业证信息，气象E 堂为手机端课程评价系统，虚拟实训平台是利用虚拟仿真软件开发的课件学习平台，其他几个平台主要是远程直播学习信息数据。这几个平台的共同点是面向气象部门全员或其他行业从事气象服务的相关人员，每个人都有上这多个平台学习的机会，每个平台系统里都会存储相关的培训信息，目前实际情况如图1所示。

图1 气象培训现状图

鉴于目前各个平台独立运行造成学员参培的复杂性，可以考虑把各个平台区块链接起来，建立气象培训区块链，见图2。各个终端使用唯一识别ID登录。原各个独立的培训区块链接成一个大的培训区块，区块之间用指针链接，其中每个区块都以识别ID 数据库中的一人对应的唯一ID为准。

图2 气象培训区块链

唯一识别ID 可以使用现在培训气象部门职工ID（经修订、去重，保证一人一ID 后使用），亦可以采用身份证作为唯一标识，若以身份证为例，唯一识别ID 即身份证号。学员登录时的唯一识别ID 数据库链接在每个培训区块的区块头（blockhead），每个区块之间链接直接用指针链接各区块的区块头即可。

对于每个学员的学习档案的记录，学员的姓名和ID 作为唯一标识形成区块0（创世区块），后一个培训区块头指针指向前一个培训区块头，并对前一个区块头信息做哈希运算后加上姓名和ID 置于本区块头内，以此类推，展示如图3所示。

图3 气象职工培训区块链模型

2.2 技术方案探究

目前区块链技术正处于理论向实践转换阶段，国内外对于区块链技术的投入使用正逐步展开，主要的应用成果集中在物流供应、银行保险、数字货币等方面，在教育培训领域尚未有成熟的应用产品。从发展的角度来看，向实际应用转换其实是区块链思想的实现。实施首先要保证技术的先进性。解决目前气象网络培训存在的问题是要实现多平台融合，实现数据共享，解决人员身份重叠，结束各个平台（区块）的孤立运行状态，改造需要有先进的设计思想与技术理念。设计时要从系统安全、分布共享、可扩展、监管机制、共识机制几个方面考虑，同时考虑教师、学员使用平台的友好性、便捷性和管理员维护的成本。

2.2.1 用户端视角

学员登录时，不管从气象培训哪个网址链接，或哪个培训手机应用进入，始终使用同一个ID 登录，密码可以修改，但ID 不变，是唯一标识，应用可以更新和无限扩展，学员的学习记录不论从哪个平台进入都可以看到所有平台的记录（图4），能实现培训记录一览无余是因为每个区块能够从其父区块获取数据信息（见图3）。

图4 用户端模型

2.2.2 架构设计

从气象网络培训服务学员的角度，结合历年培训经验和需求分析设计以下架构[4]（图5）。

图5 技术架构图

数据层存储各个培训平台学习资源、学员学习数据、人员数据、数据加密、数字签名、时间戳等。区块链中数据加密主要是哈希函数和Merkle 树的应用，可以采用单链也可以用效率更高一点的二叉树链-Merkle 树（图6），同理只要记住根哈希值，就能检测出对树中任何部位的修改；
数字签名是只有学习平台资源才能产生的别人无法伪造的一段数字串，可以作为学员身份和学习记录的有效证明；
时间戳记录学习或其他操作的时间唯一性。

图6 加密Merkle树

网络层是信息点到点传输，并参与数据的校验。

服务层中共识算法包括工作量证明（POW），股权证明（POS），和委任权益证明（DPOS）。工作量证明可以采用最长链规则，学员学习平台资源越多，有效链就越长，是靠时间和精力累计的学习，学完一个课件，等待一段时间，学习的信息会在区块链上进行广播，其他节点就可以知道该学员已完成了某个课件的学习；
股权证明是证明学员学习的效果，比如进行了考试并且通过了合格线；
委任权益证明主要包括气象干部培训学院和各省培训主管部门对职工参学的信息统计、证明、私钥保管等。智能合约是对共识算法的代码实现。

应用层面向用户终端，用户登录后，可到各个平台学习，各平台的学习入口界面是实际运用区块链的外在展示。

2.3 加密问题

将多个平台链接以后，需要对大量的信息进行数据隐私保护，这就会用到数据加密，加密是以一种“除接收者外任何人都无法解密的方式[5]”对消息进行编码，其他人无法读取和理解数据格式，以此来保护数据免受攻击。区块链主要用到了两个加密技术：哈希和签名。哈希函数是非对称加密技术，在本地会产生一对公钥和私钥，公钥加密，私钥解密，但由于区块链技术是去中心化的，私钥一旦丢失就无法找回，因此在应用区块链技术时还不能完全使用去中心化原则，要在气象干部学院层面（具有公信力）建立一个区块允许职工存储自己的私钥，面向签署承诺书的管理员权限人员可读。

每位学员登录时由本机客户端使用私钥解密登录信息后发送给服务器，服务器接收后采用该客户端的公钥加密信息并认证登录。区块链服务器端存储学员的公钥，学员学习的档案使用公钥加密，私钥解密，可以确保信息的安全性，在区块链上，信息只能增加，不能删减，数据增加修改等操作都会有记录，可以避免数据的篡改，确保数据安全，数据签名时私钥加密，公钥解密，可以确保数字签名的归属，在管理员查询学员学习情况可以确认真假。

2.4 激励与认证

在区块链技术应用阶段，学习逐渐转换为一种数字资产[6]，是对学员能力的一种数字化量度。区块链技术的共识机制是区块中所有结点达成的共识，从而认定一个记录的有效性，每位学员的学习类似于比特币的挖矿，要真正学到业务知识，这个区块结点才可以被承认，能够作为工作量证明被大家达成共识的认可，而每挖到一个区块，会得到系统奖励，学的课程越多，奖励也越多，这样可以激励学员不断学习进步，提升业务素质和能力。相对应，对于不同学习要求的课程要设计不同的形式，了解、掌握、熟练掌握的课程对应不同的考核方式。

学习认证方面，由于区块链技术中具有的共识机制，可以达成双方的互相信任。基于区块链中可信、不可篡改的数据，智能合约可以自动化地执行一些预先定义好的规则和条款，对于学员的学习档案，单位可以导出和认证，不必让学员再去找培训方审定和盖章，由于数据公开透明，管理员可以从区块链中获取学员学习信息，作为学习证明。

气象远程培训包括异步在线学习与同步直播课堂。对于宣贯类课程，异步学习目前可以基本满足要求。对于实习实训类课程，比如雷达、自动观测等仪器的维修维护，故障排查等课程，需要较强的交流互动和实习操作过程，老师要在培训过程中点评学员作业或操作，及时发现和纠正学员理解的偏差。目前的远程直播平台及其课件还不能完美模拟实习场景并替代面授课堂，在区块链技术、VR/AR 已开始应用的情况下，可以打造一个基于区块链技术的混合现实课堂。

2020 年以来的直播课，无论使用哪个直播平台，或多或少都有一些学员反映网络卡顿，卡顿原因可能出现在授课老师上行段，也可能是在学员收看的下行接收端，视各地当时的网络情况而定（图7）。只是视频流尚且有这样的情况出现，如果在网络上运行混合实训课程，交互性更多，访问服务器更频繁，中心服务器承受的压力可想而知。

图7 直播课堂示例图

而如果采用区块链技术，因区块链属于分布式存储结构，可以在各地有自己的服务器分摊算力，减轻总服务器压力，使得网速更快，减小延迟，无压力运行大程序，这也为虚拟实训课堂建立了新基建基础。人类进入信息时代、感知时代和大数据时代，区块链的发展也会推动混合现实课程的进一步网络应用。

区块链技术是去中心化的，缺乏一定的监管机制，在使用中对于密码和一些权限应该仍保留中心化功能，实践中把区块链值得借鉴的新思想落实，而非使用比特币，要取其有意义的部分。

区块链不是万能的，但是对于气象干部培训学院的多平台融合是能够起到作用的。培训的目的是提高学员技能和素质，大多时候采取去中心化的方式是适用的，但是需要保留一定的中心化监管权限。

中心化和去中心化的界限并不是非黑即白的区别[5]，需要在实际使用中不断调整，取得相对平衡。至少目前通过分析看到，在气象远程培训中采用区块链技术是适当的，其优势也是明显的，它可以建立多平台的互联、多身份融合、建立信任机制，学习记录、平台操作可追溯，信息可共享，防止单服务器故障、数据丢失，简化工作流程，降低培训成本。

本文探讨了区块链技术在气象培训领域的应用前景。气象部门也正尝试使用区块链思想实现各个平台间的互通互联，实现数据共建、共享，区块链的分布式存储结构也可以帮助培训教学实现低延迟的互动直播，使学员获得较好的学习体验。

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