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基于数据共享与区块链技术的气象方案

2020-06-09 358 上传者：管理员

摘要：本文主要介绍了一种利用区块链技术，结合大数据隐私保护和可拓展性方案，依托数据共享，提出一个集用户系统、数据接口服务系统、区块链网络服务系统为一体的气象数据协作共享方案。通过平台对数据交换进行记录，确保数据可溯源，防止数据篡改、伪造，同时建立贡献激励机制，增加气象数据共享的积极性，可以为气象决策服务、气象防灾减灾、科研学习提供准确气象数据和科学依据。

关键词：
共享方案
区块链
气象数据
气象观测
防灾减灾
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我国是一个自然灾害多发的国家，其中气象灾害约占70%，各种气象灾害每年都给社会经济带来巨大损失。随着气象信息化建设和服务水平日益提高，气象信息已经成为国民生产生活中不可或缺的一部分，公众对气象数据的需求也逐渐增加，但是目前气象数据一直面临协作共享难、数据安全与隐私保护难、数据确权难以及数据收益分权难等问题，数据垄断、数据孤岛等现象非常突出。随着区块链技术的发展，目前已进入到可编程社会的阶段，并且区块链具有数据透明、真实的特点，可以解决信任问题，从而有效促进数据协作共享[1,2]。鉴于气象部门自身及相关行业对气象数据的使用需求，本文利用区块链与大数据结合，提出气象数据共享方案，研究解决气象数据的保护问题和可拓展性问题，以期为相关工作的开展提供准确的气象数据。

1、目的及意义

气象数据的共享是气象工作现代化的必然要求，越来越多的用户在工作中都离不开气象科学数据的支持。基于区块链技术的气象数据共享方案利用区块链的可拓展性和隐私保护的技术特点及优势，通过气象数据交换平台，建立气象数据共享激励机制，解决数据资源流通难题，推动气象数据资源整合，提高气象数据利用率，使气象资料的服务能力获得实质性提高；通过建立数据造假失信机制，所有数据在交换过程均通过平台智能合约记录传输上链，不仅能保障数据的安全可靠，还能提高气象数据的利用效率，提供更加可靠的决策分析依据[3,4]。同时，该方案也可为气象公共服务、气象决策服务、气象科技服务、气象防灾减灾、气象学科试验等方面提供准确及时的气象数据信息，是经济建设和社会保障的需要[5]。

2、解决方案

本方案采用层次化设计思路，由用户系统、数据接口服务系统、区块链网络服务系统组成，采用结构化模块设计，具有可扩展性，方便以后添加新的模块。在本方案中通过区块链控制气象数据共享，同时记录系统所有操作信息，保障数据交换安全真实；通过贡献证明协议进行奖励分配，保证贡献与奖励成正比，增加数据分享积极性；通过加入智能合约进行智能控制，防止违规使用，为政府和有关部门提供准确、及时、可靠的信息。系统提供多种查询方式（图1），如图形查询、点击查询、区域查询、属性查询等，用户可以通过客户端叠加相关的气象数据，进行分析、决策、指导，使之更加个性化，更有针对性，从而达到共享目的，实现数据可视化。

图1气象数据共享解决方案

2.1用户系统

本系统由参与数据共享的各个用户构成。用户利用系统提供的同态加密算法对需要传输的数据进行加密，然后通过业务适配器将共享数据传递到数据共享接口服务模块。本系统主要有3个功能：一是用户通过传输个人数据库内共享的气象数据至分布式账本内的存储数据资源子模块内，获得系统发放的虚拟货币奖励，奖励标准由智能合约模块内的贡献证明协议子模块根据数据质量进行计算；二是用户通过区块链网络服务系统内数据资源目录服务子模块进行数据查询、匹配，然后通过支付虚拟货币从分布式账本内的存储数据资源子模块获取需要的气象数据；三是各个用户之间通过分布式账本内的用户信息子项目进行虚拟货币交易。

2.2数据接口服务系统

本系统由数据共享接口服务模块构成。根据本系统功能分析将数据共享接口服务模块划分为数据采集、数据传输、数据分析、数据共享、数据转换、任务调度等6个子模块。本系统主要有2个功能：一是负责用户系统、区块链网络服务系统的数据传输工作，本系统对需要交换的加密气象数据进行格式转换，然后利用安全多方计算技术对转换后的加密气象数据进行协作计算，得出计算结果后将结果返回给数据需求方；二是根据确定的模式自动调度不同的数据，完成计划的目标与任务。

2.3区块链网络服务系统

本系统由数据目录模块、智能合约模块、分布式账本、系统管理模块等4个部分组成，实现气象数据综合管理查询功能，提供空间数据库和空间数据管理通道。

2.3.1数据目录模块。

本模块主要由数据检索、数据匹配、数据索引3个子模块组成，利用分布式运行模式，实现了气象数据的实时性，提高了自动化效率，简化了数据处理流程。主要功能是为区块链网络服务系统提供方便快捷的数据组织与管理方式。用户通过数据目录服务，可以对区块链网络服务系统中的数据进行查询、匹配与检索服务。

2.3.2智能合约模块。

本模块主要由存量数据、数据同步、数据清洗、贡献证明协议等4个子模块组成。本模块主要具有2个功能：一是负责把用户在区块链网络服务系统中的数据资源同步至分布式账本中存储及数据清洗工作；二是对用户共享的数据进行奖励，并将奖励结果发送至分布式账本内的用户虚拟财产账户中储存。智能合约可追踪且不可逆转，保障数据不会被篡改，增强区块链性能和隐私保护。

2.3.3分布式账本。

本模块主要由存储数据资源、权限控制、存储分析任务、虚拟财产账户等4个子模块组成，满足多个用户使用同一服务器的需要，达到分散部署、集中执行的目的。本模块主要有2个功能：一是为用户提供区块链网络服务系统中的数据共享、复制和同步的数据库功能及数据交换功能；二是记录系统内用户虚拟财产交易数据信息。

2.3.4系统管理模块。

本模块主要由用户认证、系统配置、系统维护、系统帮助、系统拓展等5个子模块组成。本模块主要有5个功能：一是用于区块链用户认证；二是针对不同用户设置不同权限；三是设置系统管理员维护系统；四是提供系统介绍功能及演示功能；五是预留接口以备系统后续开发升级。

3、实施步骤

3.1数据准备

参与气象数据共享的用户选择个人数据库中需要共享的历史或实时数据，利用同态加密算法加密后，通过业务适配器传输至数据共享接口模块，由于气象数据的特殊性，有些数据无法直接读取，可以通过业务适配器转化为可读取的数据格式（图2）。

图2数据准备过程

3.2数据传输

在各个用户的共享数据全部到达共享接口模块后，数据接口服务系统通过单项传输通道将这些数据传递至一个安全的计算容器中，数据到达容器后自动解密，并准备进行协作运算。整个数据传输过程均通过智能合约记录在区块链上，确保记录无法篡改（图3）。

图3数据传输过程

3.3数据协作运行

在各个用户的共享数据到达安全的计算容器后，数据接口服务系统利用安全多方计算对数据进行处理，可以通过设置输入、输出参数进行封装，得到计算结果，数据处理将变得更加简单，效率也会得到提升；利用贡献证明协议来确保数据共享者的收益权，提高用户参与度；同时整个数据协作运行过程均保存在区块链上，确保数据协作过程公开透明，每个参与者都能公平、公正的获得计算结果（图4）。

图4数据协作运行过程

3.4数据输送

安全计算容器得到协作运行数据结果后，数据同步及数据存储模块把结果传输到区块链网络服务系统中的分布式账本中储存。在运行数据到达分布式账本后，安全计算容器内用于协作的原始数据自动消除，不会留下备份，同时此次过程和结果也是记录在区块链上，数据的使用成本降低，减少了大量的数据库建设，用户使用更加方便，使专业应用面向更高层次（图5）。

图5数据输送过程

4、方案特点

建立基于区块链技术的气象数据共享平台，可以解决气象数据资源流通问题，实现无需数据归集就能完成协作共享，同时确保数据共享用户的安全隐私。此外，通过建立信用贡献证明机制及数据造假惩罚机制，可以提高数据真实性，同时提升用户数据分享积极性。推动商业化的气象服务行业发展，实现气象资料商品开发利用，满足大众对气象资料的需求，实现气象数据在商业竞争、规划战略、决策指导中的实用价值。

4.1安全监管信息

平台通过审查申请人资质来决定是否允许其服务器加入网络和加入网络节点的类型，针对不同的用户角色设置不同的访问权限，只能在权限内调用数据；使用区块链对用户节点进行分级链接，在平台监管下实现部分去中心化。

4.2数据交易信息

平台通过使用虚拟货币对用户分享行为进行奖励，共享多、价值高的数据可以获得较多虚拟货币，同时用户可以通过支付虚拟货币来购买平台内的气象数据，提升用户数据分享积极性，使用户的共享数据产生财富增值。

4.3区块链合约信息

将目前气象行业标准及规则对应到电子合同模板中，选择合同模板会产生对应的智能合约，自动地、无需信任地、公正地强制执行合约内容，对数据使用过程进行智能控制，去除对第三方的依赖。同时，可以定制各类数据间互操作协议、自定义数据格式，以保证不同数据相互衔接的通畅性。

4.4区块链数据信息

记录区块链数据链上的数据基本信息、数据大小、数据流通信息、数据使用场景、数据秘钥信息等；通过平台对数据共享过程进行记录，保证数据交换记录真实可靠且不可篡改，在保证数据共享同时，也保证了数据服务的安全。

4.5区块链账户信息

采用混合认证方式，通过使用虹膜、指纹、密码等多种认证方式对使用主体进行认证，将账户和行为主体绑定，加入智能合约，解决区块链数据共享各方的身份认证问题，防止违规使用；同时，可将身份信息进行强度安全保护后，置于身份链上，以满足不同用户的需求。

5、结语

本文利用区块链的技术特点和优势，将区块链技术与气象数据相结合，提出一种气象数据共享解决方案，从而实现气象数据的自动传输、备份、读取、更新等任务，保证数据有序流动和充分发挥作用。通过建立协作共享机制、信用贡献机制、数据造假机制等，可以降低数据交换和交易的成本，提升数据流通共享以及数据生产汇集的积极性；通过平台进行数据交换，为用户提供了更加便捷的气象数据获取方式，实现气象数据管理与共享服务一体化；通过分布式账本及智能合约，将整个数据共享过程记录在区块链上，保障数据隐私及安全。

参考文献：

[1]焦迪,梁智.基于区块链的政务信息资源共享交换安全防护研究[J].网络安全技术与应用,2019(6):111-112.

[2]金泳,徐雪松,王刚,等.基于区块链的电子政务大数据安全共享研究[J].信息安全研究,2018,4(11):1029-1033.

[3]徐宏伟.区块链在我国公共服务平台应用研究综述[J].科技创新与应用,2019(23):62-64.

[4]唐琳.区块链的前世今生[J].科学新闻,2018(2):17-20.

[5]孙建钢.区块链技术发展前瞻[J].中国金融,2016(8):23-24.

杨浩,周念珠,夏航.基于区块链技术的气象数据共享方案研究[J].现代农业科技,2020(11):205-207.

基金:重庆市气象部门青年基金项目(QNJJ-201912).