基于联盟链的自助图书馆信息管理平台构建研究*

权立森

（山西林业职业技术学院图书馆 山西太原 030049）

自助图书馆是指利用数字化、自动化和智能化技术，充分融合传统图书馆的基本服务内容，由读者自主完成原先应由图书馆工作人员经手办理的借书、还书、办理借书证等业务的一种新型图书馆运行模式，常见的业态有“城市街区24小时自助图书馆”“图书馆ATM”“馆内用户自助服务”等[1-3]。从2005年起，我国南方部分城市探索开建自助图书馆，目前自助图书馆在我国得到大面积推广[4-5]。自助图书馆旨在为用户提供全天候的、便利的图书借阅服务，促进全民阅读，同时降低图书馆的运营成本，提升工作效率，推动图书馆的角色由以馆藏为中心向以用户为中心转变。但在推广使用中也常常面临着公众的质疑，比较突出的问题是：可供流转图书种类少、设备故障维护不及时、各类用户的个性化需求得不到充分满足，沦为摆设和形象工程的风险始终存在[6-8]；主要原因是自助图书馆对用户的供求信息对接不准、图书资源利用率不高、网点图书配置不精准[9-10]。在这种情况下，自助图书馆亟需一套互联互通的分布式信息管理平台来对接不同地区用户的供求信息，并将分散的图书资源整合起来，及时满足所有用户的需求，实现以用户为中心的服务理念。区块链利用共识协议和智能合约等多种已有技术巧妙地解决了多方可信协同问题，具有去中心化、防篡改、可追溯、安全可信等特性，正在广泛应用于金融、供应链、政务等领域。本文拟利用区块链技术构建自助图书馆信息管理平台的体系结构。

1 文献回顾

随着中本聪提出比特币的构想，区块链技术进入人们的视野。其实早在中本聪提出比特币之前，已有学者构建了区块链技术的基本骨架，也给出了实施方法，只是比特币的问世，让人们极大地意识到了区块链技术所具有的经济价值和体现的社会意义。有研究认为，区块链集点对点传送和分布式存储两种功能于一体，利用共识机制和智能合约实现信息不可篡改、可追溯和匿名化等目标，并建立信任环境，开拓了基于互联网技术、数据加密技术和人工智能技术等新兴技术的一种数据驱动下的人与人之间全新的协作模式和社会关系[11]。在区块链种类及特征方面，现有研究对比了区块链的三种具体类型以及各自的特征[12-13]：公有链完全开放，面向任何人，不需要注册和授权，也没有权限设定，访客可以自由加入或者退出公有链，并自由参与公有链数据的读取和维护；私有链面向限制范围内的人，不对外开放，仅在组织内部使用，数据的写入权限收归内部控制，数据的读取权限可视需求有选择地对外开放；联盟链面向部分人，通常在多个互知身份的组织之间组建，数据的读取和维护一般是由已知的、固定的若干个数据机构来执行，只有通过授权才能进入或者退出联盟链。

关于区块链技术在图书馆的应用方面，现有研究集中在区块链与馆藏资源、区块链与智慧图书馆以及区块链与图书馆服务创新问题[14]。一些研究认为，区块链的去中心化和分布存储的特征变革了图书馆为“信息保存中心”的历史地位，为用户参与图书馆藏打开了大门，也为图书馆的共建共享提供了便利[15-16]；一些研究提出利用区块链构建不受时空限制的、可被感知的、移动式的智慧图书馆[17-18]，还有一些研究认为区块链将颠覆图书馆传统的服务模式，能给用户带来新的体验，能进一步满足用户的个性化需求[19-20]。

由此可见，基于区块链技术构建一种不受时空限制、高效整合现有图书资源、充分满足个性化需求、极大提供图书利用率的自助图书馆具备可行性。鉴于图书用户多、分布广、个体差异大，假如基于公有链来构建信息管理平台，激励机制的设计存在困难，因为中本聪提出的区块链价值交易系统靠奖励比特币激励职工挖矿，在我国及世界上多个国家目前禁止基于区块链的代币发行活动，公有链的发币活动无法实施，因此应该考虑通过私有链和联盟链来实现。私有链面向限制范围内的人，不对外开放，仅适合于一个单位或者组织内部使用，不适合于面向广大公众的自助图书馆。自助图书馆构建是一种由政府主管部门牵头，图书馆具体实施、分布于社区和企事业单位的广大用户协同的图书流转借阅服务业务[21]，适合于采用联盟链。

2 基于联盟链的自助图书馆信息管理平台的功能

为了克服自助图书馆目前在推广使用中存在的问题，基于联盟链的自助图书馆应采取“广开门户、双向用户、智能快递”的策略。所谓“广开门户”，是指基于联盟链的自助图书馆要利用联盟链向更广地域内的更多用户收集信息，突破当前自助图书馆只能向有限用户收集信息的局限。所谓“双向用户”，是指基于联盟链的自助图书馆的用户既能是图书借入者，也可以是图书借出者。前者向其他人借来自己需要的图书，后者把自己的图书借给他人。所谓“智能快递”，是指基于联盟链的自助图书馆多数业务在网上操作完成，实地构筑物充当快递柜的角色，仅供用户送或取网上预约图书，这种构筑物相比目前的自助图书馆占地更小、结构更简单、建设成本更低。通过采取上述策略，一方面能扩大图书用户群体，形成供求双边市场，另一方面能拓宽图书来源渠道，盘活现有图书资源，提高图书利用率。为此，基于联盟链的自助图书馆的信息管理平台须具有以下功能：

（1）读者图书需求信息实时采集与存证。目前自助图书馆信息管理系统也具备实时采集读者图书需求的功能，但这些信息管理系统一般是基于B/S或者C/S架构的中心化系统，数据相对集中存储和处理，系统可靠性不强，数据被丢失、损毁的风险大。为了对读者负责，也为了促使读者提出真需求、认真提需求，需要对其提出的需求信息进行安全存证，以防备中心化信息系统发生故障，读者的需求信息由于发生损毁或被丢失而变得不可用。

（2）个人图书供给信息实时采集与存证。不少用户自身拥有一些图书资源，也愿意出借给其他用户，这种用户之间的互借业务对于发挥现有图书的作用，弥补公共图书馆馆藏不足具有显著的作用。但多年来个人之间图书互借仅限于狭小的熟人圈内，未能大范围实施，主要原因在于缺乏信任维护中介。出借人希望通过有偿出借的方式来获取收益，但由于缺乏第三方结算平台支持而作罢；出借人愿意无偿出借，但由于缺乏有效的监管手段以确保图书能顺利收回而惜借。由此可见，由于缺乏信任维护中介，个人图书互借大规模推广不具备条件。为了弥补这个缺陷，基于联盟链的自助图书馆信息管理平台除了具备其他功能外，还必须担当用户信任维护中介的角色以促进个人图书互借业务的大规模推广，而信任维护中介除了需要实时收集读者的需求信息并存证外，还需要收集个人图书供给信息并存留证据，以作为信任维护工作的凭证与依据。

（3）用户的声誉评价与管理。在打破狭小的熟人圈后，用户个人出借的图书与图书馆出借的图书一样会在不同的人群中传播，鉴于读者身份比较复杂、修养水平不同，因而对于图书借、还、保护、付费等事务的守约程度也将有所不同，那些不遵守借阅规定的行为将阻碍图书借阅的正常流转进程，影响基于联盟链的自助图书馆功能的发挥。另外个人的图书出借行为也要遵纪守法，违规行为是基于联盟链的自助图书馆所不能允许的，同样也阻碍图书借阅的正常流转进程。还有基于联盟链的自助图书馆信息管理系统的所有用户需要参与共识协议的执行，违反共识协议的行为将影响联盟链的稳定运行，也是联盟链需要排除的。综上所述，基于联盟链的自助图书馆信息管理平台应该具备对所有用户的声誉评价功能，并能根据用户的声誉水平对其进行管理，决定其在自助图书馆信息管理平台中所享有的权利和所应承担的义务。

（4）用户的在线支付和账户结算。按照图书借阅的一般规定，如果读者将所借图书丢失或者损坏，需要赔偿；如果读者逾期不还所借图书，也需要缴纳罚金。对于用户以有偿方式出借自有图书资源的情况，借阅者需要付费，即使用户以无偿方式出借自有图书，如果出现图书丢失或者损坏的情形，也需要一定的赔偿方显公允。以上这些情况都需要自助图书馆信息管理平台具有在线支付和账户结算的功能。

（5）智能快递。自助图书馆网点设置具有固定的地址，一般位于公园、大型社区、公交站点和大型购物商场等[22],一个网点辐射一片区域，为该区域的用户服务，图书资源的调运配置围绕自助图书馆网点进行。按照赖丽娜[23]的建议，用户可以提前在信息管理平台发布需求和供给信息，进行资金支付和结算，固定的自助图书馆设施只作为投递点、取件点和还件点，类似“智能快递柜”的角色，这种模式不仅可以节省自助图书馆的建设费用，而且能对大多数用户进行“按需服务”。

总而言之，充分利用数字经济时代的信息流牵头、资金流和物流配合的业务运作模式对传统的自助图书馆进行改造升级是未来的发展趋势，而联盟链能以更高效和公平的方式把三流结合起来，助推自助图书馆成为人民更满意的图书馆。

3 联盟链的共识协议设计

基于联盟链的自助图书馆信息管理平台五大功能的实现，离不开充分、可靠、及时的基础信息。节点用户的供需信息、图书使用信息（包括使用时长、逾期时长、损坏程度等）和资金结算信息三类信息是基础信息，是系统运作的必要信息，不可篡改而且可追溯，需要利用联盟链的共识协议来保障。联盟链是一种节点须经授权的区块链，利用PKI（Public Key Infrastructure）为每个节点进行身份认证，用户注册后，需运行内部的共识协议，进行状态机复制，才能保持分布式数据的一致性和活性，进而支持信息管理平台的功能实现。目前常用的共识协议有以下两种[24]：①超级账本结构（Hyperledger Fabric），是Linux基金会提出并使用的超级账本共识协议，采用拜占庭容错一致性算法保障区块的一致性，在常规的计算机分布式系统中应用比较多见，协议主要对抗节点故障和恶意入侵。②DIFINITY共识机制，由Hanke、Movahedi、Williams三位学者提出[25]，采用随机记账模式保证记账工作的公平性和账本的一致性；协议除了保障分布数据的一致性外，还注重维护记账工作的公平性。超级账本结构采用容错一致性算法，在实践中虽然比较多见，但其主要用于防止由于节点故障和恶意入侵所带来的分布数据库的不一致性，前提是系统中三分之二以上的节点是无故障的、无恶意的，这对于自助图书馆的广泛用户节点而言是难以实现的。为了突破拜占庭容错一致性算法的局限，联盟链应该采用随机记账模式[26]保证记账工作的公平性和账本的一致性。该机制的运行过程如下：所有参与节点随机参与记账，每个时期由一个节点负责交易处理、全网记账、形成并延长区块链，而在时期结束时，利用随机数生成算法随机数，根据随机数决定下一个时期由哪个节点担任记账员。具体流程如下：

（1）节点身份确认。联盟链是授权共识类区块链，所有节点需要完成身份注册，注册人都有义务参与记账委员会，如果在共识记账工作中出现恶意操作，那么注册人的声誉值降低，根据声誉值的由高到低，注册人会受到资产奖励、资产扣罚甚至被逐出系统。资产的种类和形式由系统灵活设计，可以来自财政支持，也可以来自系统创收，还可以来自注册人的预先抵押。

（2）选择记账节点。为了防止恶意操作，每个区块由不同的节点生成，节点的选择按照声誉合格和随机选择的原则进行。声誉合格原则是指只有声誉满足规定条件的节点才有资格成为记账节点，随机选择原则是指每个记账节点是在声誉合格节点中通过利用可验证随机函数[17]生成随机数，再把随机数映射到具体节点的方法随机选择出来的。

（3）区块初始化。在创世区块，设置一个随机数，用以确定其记账节点，该节点一般应是自助图书馆的行政管理部门。在创世区块中，还要利用智能合约生成另一个随机数，用以确定下一个记账节点。

（4）区块广播确认。记账节点生成一定时期内有关图书供需、送取、支付、结算等业务信息的记录，将其对外广播，除记账节点外的其余节点对这些记录进行验证，并将验证结果向全部节点广播，记账节点再将其他节点发来的验证结果一并记录到基础材料中，打包生成最终区块，对外广播，供其他节点拷贝形成区块链。

（5）重新选择记账节点。自创世区块起，由智能合约根据记账情况对各节点的声誉值进行评价，确定哪一个节点有资格参与下一次记账，并利用可验证随机函数生成随机数和节点映射机制确定下一个记账节点（一个随机数），并将之计入本区块的头部（见图1），当该区块被广播入链后，其他节点就知道下一个记账节点。

图1 数据区块结构

（6）记账循环开始。自创世区块后，重复上述步骤“（4）区块广播确认”和“（5）重新选择记账节点”，随着时间的推移，不断有新的区块生成，这些区块按照时间戳顺序前后链接，形成区块链驻留在各节点，形成去中心化、防篡改、可追溯、可充分满足用户需求的新一代自助图书馆信息管理平台。

4 联盟链的智能合约设计

自助图书馆信息管理平台的五大功能实现不仅需要联盟链的共识协议来保障分布数据的一致性和活性，还需要智能合约来执行一些特定事项，才能真正实现图书馆由以馆藏为中心向以用户为中心的角色转变。智能合约是指基于人工智能原理开发的能够在设定条件下自主学习、自觉推理、自动处理相关事宜的计算机程序及其执行过程。它能让基于联盟链的事务处理具有可控性和逻辑性，也是用算法和程序来保障信任关系的重要手段[27]。在自助图书馆信息管理平台中，需利用智能合约完成以下几项功能。

（1）图书供需、送取、支付、结算等信息真实性的交叉验证。只有用户节点提供了正确的图书供需、送取、支付、结算信息，基于联盟链的自助图书馆才能保证各类用户的需求。如前所述，一些用户出于获取不当利益的目的可能会推送虚假的信息，扰乱自助图书馆的运行，而信息管理平台需要及时识别虚假信息，保障自助图书馆的正常运行。

识别信息真伪的事项工作量大，实时性要求高，需由智能合约来完成。智能合约采用专门的算法根据触发条件对目标信息进行交叉验证，判别其真伪性。所谓交叉验证，是指从关联事件中获取图书、人员和活动的具体属性信息，通过对比各自属性信息之间的勾稽关系从而确定信息是否真实的方法。

表1展示了一个由于逾期未还而需缴纳罚款的信息真实性的交叉验证案例。这起事件中有三个关联事件，分别是借书、逾期未还和缴纳罚款。每个事件用借书日期（bd）、送取网点（dp）、出借者（bl）、借阅者（bb）、还书日期（rd）、逾期时间（ot）、罚款标准（ps）、付款额（pa）八个属性来描述。一个真实的“由于逾期未还而需缴纳罚款的事件”分别与“借书”“逾期未还”“缴纳罚款”三个关联事件属性之间的勾稽关系如表中所列关系式所示，智能合约的交叉验证算法设计可以采用实体-关系数据库建模方法，首先识别某一事件的所有关联事件，然后用若干属性来分别表示这些关联事件，其次通过属性的取值和相互之间的勾稽关系来判断该事件是否真实。

表1 图书逾期未还缴纳罚款事件真实性的交叉验证算法

（2）用户声誉评估。是指根据用户在出借图书、归还图书、区块记账中的表现按照一定的评价标准为用户打分的功能。如前所述，用户声誉值决定了用户在自助图书馆中所拥有的权利和应承担的义务，是自助图书馆信息管理平台正常运作的一个重要的依据参数。可在创世区块为每个用户设置相同的初始声誉值，然后设置加分项目和扣分项目，用特定的事件触发这些项目。比如发布虚假图书供需信息、篡改记账信息、出借禁书、非法占有等违规事件发生就应扣减责任人的声誉分值，如有举报他人违规行为等事件发生就给用户增加声誉分值。

（3）网点图书证件送取信息的实时生成。围绕预先设置的送取件网点和用户提出的位置信息，实时计算出该网点接收“送来件”和“领取件”的种类和数量，并通知到相关用户。如前文所述，在基于联盟链的信息管理平台的支持下，自助图书馆的网点可以简化为一个单纯的图书和证件收集和发放的“智能快递柜”。所谓“送来件”包括两种类型，一是读者还来的书，另一种是其他用户向读者出借的书。所谓“领取件”也包括两种类型，一是读者借来的书或办理的借书证，另一种是曾出借书用户收回所出借的书。围绕网点生成图书证件送取的实时信息算法应按照“本地图书供求关系优先匹配、短缺图书就近调配”的原则来配置图书资源，并针对声誉合格的用户进行。

（4）支付与结算。用户图书的有偿出借、逾期未还罚款、图书损坏赔偿等情形都涉及到用户之间的款项支付和用户账户的余额结算事项。这项功能也可由智能合约来完成，有偿出借、损毁赔偿、逾期罚款等事件可触发智能合约的相应程序模块按照约定的计费规则自动执行费用计算和转账支付的工作，而转账支付事件可自动触发智能合约的相应模块按照会计制度进行账户余额结算和凭证生成及记账工作。

5 结语

自助图书馆以人文关怀为主导，以服务创新为目标，旨在通过数字化和智能化的手段提升满足用户个性化需求的水平，提高图书的利用率，促进传统图书馆角色的转变。基于联盟链的自助图书馆信息管理平台的构建不仅有助于解决目前自助图书馆运行中存在的个性化需求满足不充分、图书资源配置不精准、图书利用率不高的问题，还能盘活现存图书资源、调动社会力量参与公共文化建设，有效缓解政府投入不足或滞后与人民群众日益增长的图书阅读需求之间的矛盾，对于我国公共文化的建设和发展具有重要的意义。本文构建了基于联盟链的自助图书馆信息管理平台的体系结构，并从平台功能、共识协议和智能合约三个视角阐述信息管理平台的工作原理。本文的研究旨在抛砖引玉，促进自助图书馆的建设与时俱进。未来的研究可就以下问题进一步深入：（1）联盟链共识协议的健壮性问题。本文提出了基于随机记账模式的共识协议设计思路，目的在于保障记账工作的机会均等和公平性，考虑到联盟链中的用户数量尤其是声誉评价合格的用户数量是动态变化的，如何基于动态变化的用户数随机地均匀地分配区块记账机会，是一个挑战，需要深入研究。（2）联盟链智能合约的部署与功能管控。智能合约根据触发事件的种类自动执行指定功能，起着维持自助图书馆正常运转的作用，它的存在使得自助图书馆的运转变得透明而且使得信息管理平台易用。在联盟链中，没有中心化的服务器和数据库，智能合约只能分散部署在各个节点，如何保障每个节点上部署的智能合约所遵循的规则相同、功能相同，是另一个值得深入研究的问题。