張雪媛 都平平 雷 鐳

(1.中國礦業(yè)大學(xué)圖書館 徐州 221116；2.上海能鏈眾和科技有限公司 上海 200127)

0 引 言

科學(xué)實驗數(shù)據(jù)管理涉及的人員眾多，數(shù)據(jù)類型復(fù)雜多樣，科學(xué)實驗數(shù)據(jù)產(chǎn)生時間隨機(jī)，產(chǎn)生環(huán)境封閉，具有程度不同的保密性。長期以來，科研機(jī)構(gòu)和科研人員出于對自身知識產(chǎn)權(quán)的保護(hù)，擔(dān)心實驗數(shù)據(jù)泄露后被他人模仿，不愿意將實驗數(shù)據(jù)在實驗完成后第一時間公布出來，造成了科學(xué)實驗數(shù)據(jù)開放的實際困境。大數(shù)據(jù)時代，科技創(chuàng)新、國家政策制定、經(jīng)濟(jì)發(fā)展都越來越依賴科學(xué)數(shù)據(jù)的分析和運用。本文從科學(xué)實驗數(shù)據(jù)管理的價值分析出發(fā)，利用區(qū)塊鏈技術(shù)去中心化、安全不可篡改、知識產(chǎn)權(quán)明晰、交易便捷的特點，設(shè)計出科研人員、科研機(jī)構(gòu)與科學(xué)數(shù)據(jù)中心協(xié)同管理模式，按保密程度分級存儲的區(qū)塊鏈架構(gòu)，設(shè)計出管控安全風(fēng)險，保護(hù)知識產(chǎn)權(quán)，降低投入成本，激勵多方參與的科學(xué)實驗數(shù)據(jù)協(xié)同管理系統(tǒng)。

1 科學(xué)實驗數(shù)據(jù)管理的價值

科學(xué)實驗數(shù)據(jù)主要是由研究機(jī)構(gòu)的科研人員在進(jìn)行科學(xué)實驗的過程中記錄下來的數(shù)據(jù)。包括實驗時間、地點、儀器設(shè)備、使用材料、溫度濕度壓力等實驗室環(huán)境狀況、人員操作流程、實驗結(jié)果及其分析等一系列內(nèi)容?？茖W(xué)實驗數(shù)據(jù)管理，不僅限于實驗結(jié)果的記錄，更強(qiáng)調(diào)實驗過程中各項參數(shù)的真實記錄。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，科研投入的增加，實驗室規(guī)模不斷擴(kuò)大，科學(xué)實驗數(shù)量增多，高校、科研院所以及工業(yè)企業(yè)每天的科學(xué)實驗產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)[1]。借助現(xiàn)代通信技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)，對科學(xué)實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行高效管理，能夠有效促進(jìn)科學(xué)實驗數(shù)據(jù)管理的科學(xué)化、合理化、智能化，從而優(yōu)化科研系統(tǒng)生態(tài)環(huán)境?？茖W(xué)實驗數(shù)據(jù)有效管理的價值主要體現(xiàn)在以下幾點：

a.存證與版權(quán)聲明?？茖W(xué)實驗數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)存證和版權(quán)聲明，方便科研人員自身隨時查詢?nèi)∮谩Ｔ谧陨碛嬎銠C(jī)更換、維修、升級、系統(tǒng)崩潰時，仍然能夠查詢、獲取到原始數(shù)據(jù)。

b.提升科研誠信?？茖W(xué)實驗數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，可以通過業(yè)界共同制定數(shù)據(jù)采集、上傳標(biāo)準(zhǔn)，提升試驗數(shù)據(jù)質(zhì)量，起到有效監(jiān)督，防止實驗數(shù)據(jù)造假的作用。提升實驗數(shù)據(jù)可信度，從而有效地凈化科研環(huán)境，提升學(xué)術(shù)誠信，營造公平、公正、公開的學(xué)術(shù)科研環(huán)境。

c.保護(hù)知識產(chǎn)權(quán)?？蒲腥藛T在第一時間將標(biāo)準(zhǔn)的、真實的、完整的實驗記錄存證到科學(xué)實驗數(shù)據(jù)管理平臺上，此后再完成論文寫作發(fā)表工作?？茖W(xué)實驗數(shù)據(jù)中，大量具有獨創(chuàng)性的內(nèi)容，在同行共同維護(hù)的數(shù)據(jù)系統(tǒng)上存證，存證記錄可以作為有力證據(jù)，支撐相關(guān)科研成果，保護(hù)科研人員的知識產(chǎn)權(quán)，在產(chǎn)生爭議性事件時，維護(hù)科研人員的個人名譽(yù)。區(qū)塊鏈的去中心化特性可以對科學(xué)研究的全過程進(jìn)行同步，以開放和完善學(xué)術(shù)版權(quán)的獲取問題，同時利用時間戳元數(shù)據(jù)對科研過程中的想法和創(chuàng)新進(jìn)行版權(quán)聲明以實現(xiàn)充分的保護(hù)[2]。

d.消除“數(shù)據(jù)孤島”。由于缺少可靠的實驗數(shù)據(jù)認(rèn)證、互信機(jī)制，各實驗室信息封閉，大量基礎(chǔ)實驗反復(fù)重做，形成“數(shù)據(jù)孤島”?？茖W(xué)實驗數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，有助于實驗數(shù)據(jù)信息開放交流，降低重復(fù)，消除“數(shù)據(jù)孤島”。

e.優(yōu)化科研系統(tǒng)生態(tài)環(huán)境?？茖W(xué)實驗數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，將海量科學(xué)實驗數(shù)據(jù)匯集成方便檢索的數(shù)據(jù)集，可以形成大數(shù)據(jù)效應(yīng)，降低全行業(yè)的試錯成本，同時促進(jìn)同行之間的深度交流，啟發(fā)高層次的科研成果產(chǎn)出，優(yōu)化科研系統(tǒng)生態(tài)環(huán)境。

2 科學(xué)實驗數(shù)據(jù)管理的現(xiàn)狀和阻力分析

2.1 科學(xué)實驗數(shù)據(jù)管理的現(xiàn)狀

盡管對科學(xué)實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一管理，實現(xiàn)開放獲取，對國家發(fā)展、成果產(chǎn)出和科研人員自身都是有利的，但是，國內(nèi)大部分學(xué)科均尚未形成有效的科學(xué)實驗數(shù)據(jù)管理部門或管理平臺。

通過檢索中國科技資源共享網(wǎng)站[3]，發(fā)現(xiàn)目前20個國家科學(xué)數(shù)據(jù)中心，大部分?jǐn)?shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)類別以觀測、采集、調(diào)查、統(tǒng)計數(shù)據(jù)為主，僅有國家高能物理科學(xué)數(shù)據(jù)中心是以科學(xué)實驗數(shù)據(jù)為核心數(shù)據(jù)類型的科學(xué)數(shù)據(jù)服務(wù)平臺，國家生態(tài)科學(xué)數(shù)據(jù)中心和國家地震科學(xué)數(shù)據(jù)中心也包括一定量的科學(xué)實驗數(shù)據(jù)。說明大學(xué)及科研院所產(chǎn)生的分布與各學(xué)科門類，特別是機(jī)械、礦業(yè)、化工、電力電子、計算機(jī)、土木等工程技術(shù)領(lǐng)域，大量的科學(xué)實驗數(shù)據(jù)尚未納入國家科學(xué)數(shù)據(jù)管理體系，沒有得到有效的數(shù)據(jù)管理，也就更不用談合理的利用了。其他如北京大學(xué)開放研究數(shù)據(jù)平臺、武漢大學(xué)的高校科學(xué)數(shù)據(jù)共享平臺，目前均未實現(xiàn)科學(xué)實驗數(shù)據(jù)的有效管理和開放共享。因此，對科學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行追溯和獲取也存在困難[4]。

科學(xué)數(shù)據(jù)管理除科學(xué)實驗數(shù)據(jù)以外，還包括大量的觀測數(shù)據(jù)、調(diào)查數(shù)據(jù)、統(tǒng)計數(shù)據(jù)、基因數(shù)據(jù)、標(biāo)本數(shù)據(jù)等，如氣象、地震觀測數(shù)據(jù)，物種標(biāo)本，病毒于微生物數(shù)據(jù)等等?？茖W(xué)實驗數(shù)據(jù)與其他科學(xué)數(shù)據(jù)相比，更強(qiáng)調(diào)對過程的記錄，與科研人員的誠信、名譽(yù)和物質(zhì)收益等個人利益更加密切相關(guān)。

2.2 科學(xué)實驗數(shù)據(jù)管理的阻力分析

面對國家及科研人員對科學(xué)實驗數(shù)據(jù)開放獲取的實際需求以及科學(xué)數(shù)據(jù)中心普遍沒有將科學(xué)實驗數(shù)據(jù)納入管理體系的現(xiàn)狀，經(jīng)過對科研人員、科研機(jī)構(gòu)和科學(xué)數(shù)據(jù)中心的深度訪談，對開展科學(xué)實驗數(shù)據(jù)管理的工作進(jìn)行阻力分析。

2.2.1科研人員視角的阻力分析

科研人員和科研機(jī)構(gòu)作為科學(xué)實驗數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)生產(chǎn)者，對數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的安全性、知識產(chǎn)權(quán)保護(hù)力度存疑，導(dǎo)致科研人員缺乏匯交科學(xué)實驗數(shù)據(jù)的主動性意愿。

a.數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)缺乏安全風(fēng)險管控機(jī)制。將原始數(shù)據(jù)采集到數(shù)據(jù)中心的過程，要通過科研機(jī)構(gòu)相關(guān)工作人員、數(shù)據(jù)中心相關(guān)工作人員，包括同事、同行、學(xué)生等諸多經(jīng)手人，數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)收集的過程中存在發(fā)生人為的數(shù)據(jù)泄露、數(shù)據(jù)篡改和數(shù)據(jù)遺漏的安全風(fēng)險，造成數(shù)據(jù)存證不完整?？茖W(xué)實驗數(shù)據(jù)一旦發(fā)生被泄露、被篡改、被遺漏的現(xiàn)象，就會導(dǎo)致很多科學(xué)實驗無法復(fù)現(xiàn)和分析，科研成果的驗證、實驗方法追溯以及實驗數(shù)據(jù)的復(fù)用存在很大困難[5]。數(shù)據(jù)匯交到數(shù)據(jù)中心集中管理，也存在如黑客攻擊、干擾及系統(tǒng)錯誤等安全風(fēng)險，數(shù)據(jù)有可能整體性地被竊取、被刪除、被篡改。若發(fā)生系統(tǒng)性安全事故，不僅對科研人員，而且對整個行業(yè)甚至是國家，造成難以挽回的巨大損失。

與公開發(fā)表的論文不同，科學(xué)實驗數(shù)據(jù)在實驗過程中產(chǎn)生，需要經(jīng)過一段時間，通過科研人員撰寫論文，公開發(fā)表出來，才能形成被認(rèn)可的科研成果。如果在實驗結(jié)束后就將實驗數(shù)據(jù)提交共享，開放獲取，則可能被他人搶先發(fā)表，無法實現(xiàn)成果轉(zhuǎn)化，侵害自身利益。在實驗完成到論文公開發(fā)表期間，科研人員會對實驗數(shù)據(jù)嚴(yán)格保密，防止數(shù)據(jù)外泄。所以，科研人員往往對科學(xué)實驗數(shù)據(jù)的保密性、防篡改、系統(tǒng)可靠性都有極高的要求。

研究者對科學(xué)數(shù)據(jù)共享仍然存在擔(dān)心和疑慮，不愿意將數(shù)據(jù)上傳在公共平臺上共享[6]。當(dāng)前面向多學(xué)科交叉研究服務(wù)的重大科技基礎(chǔ)設(shè)施平臺產(chǎn)出的科學(xué)數(shù)據(jù)管理中，仍然缺乏可操作的科學(xué)數(shù)據(jù)安全和數(shù)據(jù)主權(quán)相關(guān)的法律法規(guī)以及管理制度支持，需要在設(shè)施建設(shè)、運行和服務(wù)過程中涉及的多方主體進(jìn)一步討論、細(xì)化相關(guān)管理內(nèi)容[7]。數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)缺乏分級安全風(fēng)險管控機(jī)制，造成科研人員和科研機(jī)構(gòu)對現(xiàn)有數(shù)據(jù)管理模式不信任，這是目前科學(xué)實驗數(shù)據(jù)管理面臨的最大阻力。

b.缺乏對知識產(chǎn)權(quán)保護(hù)的系統(tǒng)設(shè)計。根據(jù)國務(wù)院科學(xué)數(shù)據(jù)管理辦法的精神，數(shù)據(jù)生產(chǎn)方擁有數(shù)據(jù)所有權(quán)，在數(shù)據(jù)使用上擁有優(yōu)先權(quán)。相應(yīng)的，數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)可以設(shè)置2～3年的數(shù)據(jù)保護(hù)期。其他數(shù)據(jù)使用方，在數(shù)據(jù)保護(hù)期內(nèi)，如果需要獲取和利用數(shù)據(jù)，需要與數(shù)據(jù)所有者簽訂協(xié)議，獲取授權(quán)，才能使用數(shù)據(jù)。

目前的數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，缺乏對參與數(shù)據(jù)生產(chǎn)方權(quán)益保護(hù)的系統(tǒng)設(shè)計和實際的權(quán)益保護(hù)機(jī)制，科研人員出于對自身知識產(chǎn)權(quán)的保護(hù)，缺乏將科學(xué)實驗數(shù)據(jù)共享的主觀意愿。

2.2.2數(shù)據(jù)中心視角的阻力分析

作為科學(xué)實驗數(shù)據(jù)最主要的數(shù)據(jù)管理者，承擔(dān)著數(shù)據(jù)傳遞、儲存、維護(hù)、分析以及增值服務(wù)的工作。面對科學(xué)實驗數(shù)據(jù)這類對數(shù)據(jù)安全和知識產(chǎn)權(quán)保護(hù)要求特別高的數(shù)據(jù)類型，開展工作面臨的困境主要有：

a.資源、人力和軟硬件設(shè)施投入不足。在《建立權(quán)責(zé)明晰且能力健全的科學(xué)數(shù)據(jù)開放共享機(jī)制——以高能物理領(lǐng)域為例》一文中提到，目前高能物理領(lǐng)域缺乏相應(yīng)的資源、人力和軟硬件基礎(chǔ)設(shè)施投入，導(dǎo)致在數(shù)據(jù)安全與開放共享過程中缺乏人力和經(jīng)費支持[7]。高能物理領(lǐng)域是國家重點支持的大科學(xué)項目，在科學(xué)數(shù)據(jù)管理領(lǐng)域的投入尚且如此短缺，其他非大科學(xué)學(xué)科的科學(xué)數(shù)據(jù)管理領(lǐng)域，在人力、經(jīng)費、軟硬件資源投入上就更加匱乏了。

b.激勵機(jī)制缺位。數(shù)據(jù)管理工作中，缺少能夠?qū)⒖茖W(xué)數(shù)據(jù)中心、科研機(jī)構(gòu)、科研人員利益協(xié)同的激勵機(jī)制。科學(xué)數(shù)據(jù)中心與數(shù)據(jù)生產(chǎn)方的科研人員和科研機(jī)構(gòu)大多不是直接的管轄或隸屬關(guān)系，而是相對平等的協(xié)作關(guān)系，且僅存在由科研人員和科研機(jī)構(gòu)向數(shù)據(jù)中心數(shù)據(jù)匯交的單向弱聯(lián)系。導(dǎo)致科學(xué)實驗數(shù)據(jù)這類數(shù)據(jù)生產(chǎn)方對數(shù)據(jù)權(quán)益保護(hù)特別重視的科學(xué)數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)匯交過程中呈現(xiàn)出較大的現(xiàn)實阻力。目前，科技服務(wù)機(jī)構(gòu)在數(shù)據(jù)平臺上共享數(shù)據(jù)的意愿不強(qiáng)、動力不足，數(shù)據(jù)共享平臺共享激勵機(jī)制不完善，需要有效激勵更多的科技服務(wù)機(jī)構(gòu)參與到平臺的數(shù)據(jù)共享[8]。

3 區(qū)塊鏈技術(shù)破除科學(xué)實驗數(shù)據(jù)管理現(xiàn)實阻力的適用性

區(qū)塊鏈技術(shù)是去中心化的分布式賬本[9]，是基于分布式數(shù)據(jù)存儲、點對點傳輸、共識機(jī)制、加密算法等技術(shù)在互聯(lián)網(wǎng)時代的創(chuàng)新應(yīng)用模式[10]。區(qū)塊鏈的基本數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是加蓋時間戳的鏈?zhǔn)綌?shù)據(jù)區(qū)塊，保證其不可篡改性。利用共識算法生成有效的數(shù)據(jù)區(qū)塊,利用智能合約實現(xiàn)數(shù)據(jù)的驗證和流通[11]。用戶建立和維護(hù)信任的成本將大幅降低，有助于建設(shè)良好科研誠信檔案[12]。

區(qū)塊鏈在信息共享、版權(quán)保護(hù)、身份認(rèn)證、資源存儲、網(wǎng)絡(luò)眾籌、數(shù)據(jù)溯源等方面都能帶來創(chuàng)新性的應(yīng)用和推廣[13]?？梢葬槍茖W(xué)實驗數(shù)據(jù)管理的實際需求和現(xiàn)實阻力，利用區(qū)塊鏈安全可靠，數(shù)據(jù)可溯源，智能合約自動執(zhí)行，去中心化，自帶獎勵模式的特點，管控安全風(fēng)險，保護(hù)知識產(chǎn)權(quán)，降低投入成本，激勵多方協(xié)同，從技術(shù)層面破除科學(xué)實驗數(shù)據(jù)管理中科研人員和數(shù)據(jù)中心視角的現(xiàn)實阻力。

3.1 破除科研人員視角的現(xiàn)實阻力

3.1.1區(qū)塊鏈安全風(fēng)險管控機(jī)制與科學(xué)實驗數(shù)據(jù)管理的契合之處

第一，區(qū)塊鏈的鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)與不可逆的哈希運算，從數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的層面保障了區(qū)塊鏈上數(shù)據(jù)的不可篡改。

區(qū)塊鏈通過哈希函數(shù)保證安全性和完整性[14]。使用SHA-256哈希函數(shù)，將實驗原始數(shù)據(jù)算出哈希值。對原始數(shù)據(jù)做任何改動，哈希值都完全不同，且由哈希值無法逆向推算出原始文件的類型和內(nèi)容。

如新建一個word文件，寫下第一行“今天是2022年3月21日星期一”，保存為今天是2022年3月21日星期一.doc文件。用SHA-256哈希函數(shù)計算其哈希值：5d599d6361be9754f6eb732a69277c3d395ede27c7 adc4a1f3f65f384672be34。

將文字改為“今天是2022年3月20日星期日”，依舊保存為2022年3月21日星期一.doc文件。哈希值變?yōu)椋?24d9f0bcc00aa751c1cc901dee3810f949662ce 305bc40dbc30a0dfb81beb55。

區(qū)塊鏈采用鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)[15]，每個區(qū)塊都有存儲前一區(qū)塊的哈希值和自身區(qū)塊的數(shù)據(jù)哈希值。若數(shù)據(jù)被篡改，則破壞了整個區(qū)塊鏈的鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)，見圖1。

圖1 篡改文件內(nèi)容破壞區(qū)塊鏈鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)

第二，區(qū)塊鏈?zhǔn)欠植际劫~本，內(nèi)容信息是由全體節(jié)點共同記錄的，篡改單個節(jié)點上的數(shù)據(jù)，不能得到全網(wǎng)的認(rèn)可，保障了數(shù)據(jù)的不可篡改性，如圖2。

圖2 區(qū)塊鏈分布式賬本保障數(shù)據(jù)不被篡改

科研人員可以放心地在第一時間將科學(xué)實驗數(shù)據(jù)在區(qū)塊鏈上存證，不必?fù)?dān)心內(nèi)容泄密和數(shù)據(jù)被篡改。

3.1.2區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)溯源與科學(xué)實驗數(shù)據(jù)管理的契合之處

區(qū)塊鏈上的數(shù)據(jù)，帶有時間戳，以及對應(yīng)數(shù)據(jù)版權(quán)所有人的數(shù)字簽名[15]。數(shù)據(jù)上傳時間、版權(quán)所有人和內(nèi)容規(guī)范性，可以得到全網(wǎng)節(jié)點的共同鑒證，形成共識性的版權(quán)和知識產(chǎn)權(quán)公告。一方面，利用區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)可溯源的特點，在發(fā)生知識產(chǎn)權(quán)確權(quán)爭議時，通過區(qū)塊鏈上的數(shù)據(jù)記錄，進(jìn)行溯源舉證，維權(quán)過程簡便[16]；另一方面，通過區(qū)塊鏈上，數(shù)據(jù)內(nèi)容在系統(tǒng)中的流轉(zhuǎn)和交易記錄，提供了數(shù)據(jù)產(chǎn)權(quán)明晰的開放獲取和授權(quán)交易。

科學(xué)實驗數(shù)據(jù)的開放權(quán)限可以通過區(qū)塊鏈不對稱加密技術(shù)，控制在科研人員自己手中。而智能合約實現(xiàn)了有償使用的順暢交易。對科學(xué)實驗數(shù)據(jù)的有償使用，科學(xué)實驗數(shù)據(jù)實現(xiàn)了經(jīng)濟(jì)效益和社會效益的價值增溢，有效激勵科研人員匯交數(shù)據(jù)，降低科研工作的總體試錯成本，優(yōu)化科研生態(tài)環(huán)境。

3.2 破除數(shù)據(jù)中心視角的現(xiàn)實阻力

a.去中心化，降低成本。區(qū)塊鏈?zhǔn)侨ブ行幕臄?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，區(qū)塊上僅保存科學(xué)實驗數(shù)據(jù)的哈希值，且審核、存儲均利用全網(wǎng)節(jié)點現(xiàn)有的算力和存儲設(shè)備，無須專門投入巨額資金建設(shè)中心化的數(shù)據(jù)中心。節(jié)省了大量的物理空間、計算機(jī)硬件設(shè)備、管理人員等成本投入，可以調(diào)動科研機(jī)構(gòu)和數(shù)據(jù)中心現(xiàn)有的閑置資源，降低成本。

b.價值激勵，多方協(xié)同。應(yīng)用區(qū)塊鏈技術(shù)的科學(xué)實驗數(shù)據(jù)協(xié)同管理，可以將數(shù)據(jù)審核更新的工作交給參與數(shù)據(jù)協(xié)同管理系統(tǒng)對等網(wǎng)絡(luò)中的任意節(jié)點完成，以公平合理的共識機(jī)制遴選出審核記賬節(jié)點，系統(tǒng)新生成一定數(shù)量代幣，獎勵給遴選出完成審核記賬的節(jié)點。而數(shù)據(jù)使用方為獲取有償數(shù)據(jù)資源，需要向數(shù)據(jù)所有方支付一定數(shù)量的系統(tǒng)代幣來兌換相關(guān)權(quán)限，如果沒有代幣則需要向代幣富余的用戶兌換，這樣就在數(shù)據(jù)交易的過程中完成了系統(tǒng)的價值增溢。激勵科研人員匯交數(shù)據(jù)，科研機(jī)構(gòu)和數(shù)據(jù)管理機(jī)構(gòu)深度參與科學(xué)實驗數(shù)據(jù)協(xié)同管理工作。

4 基于區(qū)塊鏈技術(shù)的科學(xué)實驗數(shù)據(jù)協(xié)同管理系統(tǒng)架構(gòu)

現(xiàn)有區(qū)塊鏈主要分為3種類型：公有鏈、聯(lián)盟鏈和私有鏈[17]。聯(lián)盟鏈常由多個互相已知身份的組織共同構(gòu)建[18]。本設(shè)計架構(gòu)中，由參與科學(xué)實驗數(shù)據(jù)協(xié)同管理系統(tǒng)的科研機(jī)構(gòu)和科學(xué)數(shù)據(jù)中心以平等的、去中心化的、分布式主體地位，在共識機(jī)制下進(jìn)行數(shù)據(jù)審核和區(qū)塊鏈更新。由于只接納相關(guān)科研人員、科研機(jī)構(gòu)和科學(xué)數(shù)據(jù)中心的計算機(jī)作為節(jié)點，既不對公眾開放，不選擇公有鏈類型；也不隸屬于某個獨立的機(jī)構(gòu)或管理部門，也不選擇私有鏈類型；選擇聯(lián)盟鏈作為本架構(gòu)基礎(chǔ)區(qū)塊鏈類型。

4.1 架構(gòu)概述

基于區(qū)塊鏈對科學(xué)實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行有效管理的適用性分析，設(shè)計基于區(qū)塊鏈技術(shù)的科學(xué)實驗數(shù)據(jù)協(xié)同系統(tǒng)架構(gòu)如圖3所示。

4.1.1架構(gòu)目標(biāo)

基于區(qū)塊鏈技術(shù)的科學(xué)實驗數(shù)據(jù)協(xié)同系統(tǒng)架構(gòu)的目標(biāo)是構(gòu)建一個具有安全風(fēng)險管控機(jī)制和知識產(chǎn)權(quán)保護(hù)功能的數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，同時本系統(tǒng)不需要大規(guī)模的成本投入，可以通過系統(tǒng)設(shè)置的激勵機(jī)制，激勵各參與主體持續(xù)深度參與系統(tǒng)的運作和維護(hù)。

圖3 科學(xué)實驗數(shù)據(jù)協(xié)同管理的系統(tǒng)架構(gòu)

4.1.2參與主體

科學(xué)實驗數(shù)據(jù)協(xié)同管理系統(tǒng)的參與主體包括科研人員、科研機(jī)構(gòu)、數(shù)據(jù)中心三方。

科研人員是科學(xué)實驗數(shù)據(jù)的產(chǎn)出者，控制數(shù)據(jù)的上傳內(nèi)容和上傳時間，是本系統(tǒng)的重要參與主體?？蒲腥藛T上傳數(shù)據(jù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)版權(quán)的存證聲明；授權(quán)自身數(shù)據(jù)的有償獲?。簧暾埰渌麛?shù)據(jù)生產(chǎn)方數(shù)據(jù)有償使用。不承擔(dān)網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)維護(hù)的相關(guān)工作。在協(xié)同系統(tǒng)中的功能、主體責(zé)任和激勵手段見表1、表2。

表1 科學(xué)實驗數(shù)據(jù)協(xié)同管理系統(tǒng)中各參與主體的功能

表2 科學(xué)實驗數(shù)據(jù)協(xié)同管理系統(tǒng)中的主體責(zé)任和激勵手段

科研機(jī)構(gòu)是科研人員的隸屬和管理單位，提供機(jī)器算力和數(shù)據(jù)存儲空間，參與競爭審核權(quán)，選中審核/記賬時，獲得代幣獎勵。提供數(shù)據(jù)存儲空間；與科學(xué)數(shù)據(jù)中心、行業(yè)協(xié)會、政府監(jiān)管部門協(xié)同制定和修訂標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范；協(xié)助監(jiān)管，維護(hù)誠信。在協(xié)同系統(tǒng)中的功能、主體責(zé)任和激勵手段見表1、表2。

科學(xué)數(shù)據(jù)中心負(fù)責(zé)制定數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)并維護(hù)與數(shù)據(jù)質(zhì)量、數(shù)據(jù)交易相關(guān)的智能合約；提供風(fēng)險管控、政策咨詢、使用幫助等相關(guān)服務(wù)。參與競爭審核權(quán)，選中審核/記賬權(quán)時，獲得代幣獎勵。提供數(shù)據(jù)存儲空間，協(xié)助監(jiān)管，維護(hù)誠信；維護(hù)智能合約。在協(xié)同系統(tǒng)中的功能、主體責(zé)任和激勵手段見表1、表2。

4.1.3 業(yè)務(wù)流程

基于區(qū)塊鏈技術(shù)的科學(xué)實驗數(shù)據(jù)協(xié)同管理系統(tǒng)的主要業(yè)務(wù)包括用戶注冊、用戶登錄、數(shù)據(jù)上傳和數(shù)據(jù)交易4個部分。用戶注冊、用戶登錄與其他數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)基本相同。數(shù)據(jù)上傳和數(shù)據(jù)交易則是利用區(qū)塊鏈技術(shù)來實現(xiàn)的。

(1)數(shù)據(jù)上傳。科研人員在科學(xué)實驗方案設(shè)計、實驗材料準(zhǔn)備、實驗過程記錄和實驗結(jié)果記錄的一系列實驗過程中，形成的文字、表格、圖片、影像資料，階段性完成后即可提交系統(tǒng)存證?？紤]到科研人員對科學(xué)實驗數(shù)據(jù)保密性、安全性和知識產(chǎn)權(quán)保護(hù)的需要，數(shù)據(jù)在區(qū)塊鏈系統(tǒng)的上傳流程如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)上傳業(yè)務(wù)流程圖

a.數(shù)據(jù)上鏈?？蒲腥藛T將實驗數(shù)據(jù)由數(shù)據(jù)匯交節(jié)點電腦向系統(tǒng)發(fā)出數(shù)據(jù)上鏈存證的審核請求。系統(tǒng)接收到數(shù)據(jù)匯交節(jié)點的數(shù)據(jù)審核請求之后，在全網(wǎng)節(jié)點中，依據(jù)隨機(jī)類共識算法PoEt[19]，隨機(jī)產(chǎn)生唯一的一個審核節(jié)點?？蒲腥藛T向遴選出的審核節(jié)點提交實驗數(shù)據(jù)。審核節(jié)點將實驗數(shù)據(jù)運算得到的哈希值與時間戳、數(shù)字簽名打包成區(qū)塊，接在前區(qū)塊的后面，廣播到整個網(wǎng)絡(luò)。全部節(jié)點驗證運算結(jié)果，同步更新區(qū)塊鏈記錄，全網(wǎng)節(jié)點保持記錄一致。

科研人員提供的科學(xué)實驗的原始數(shù)據(jù)，僅作為運算哈希值的輸入條件，且為純粹后臺的機(jī)器運算，排除了人工干預(yù)的可能性，形成數(shù)據(jù)安全性的基礎(chǔ)?？蒲腥藛T不必?fù)?dān)心數(shù)據(jù)外泄；而區(qū)塊鏈系統(tǒng)的存儲量小，便于控制成本。

b.數(shù)據(jù)存儲。系統(tǒng)允許科研人員按照數(shù)據(jù)的保密屬性選擇存儲方式。對嚴(yán)格保密數(shù)據(jù)，采取本地存儲，不上網(wǎng)僅在系統(tǒng)做存證和版權(quán)聲明；對有償交易數(shù)據(jù)，利用有IPFS(星際文件系統(tǒng))技術(shù)，分布式存儲在系統(tǒng)各節(jié)點上；對開放共享數(shù)據(jù)，不加密上傳到數(shù)據(jù)中心存儲器上開放共享[20]。

c.代幣獎勵。對審核節(jié)點和數(shù)據(jù)匯交節(jié)點進(jìn)行代幣獎勵。系統(tǒng)產(chǎn)生一定量的代幣，獎勵給審核記賬節(jié)點和按標(biāo)準(zhǔn)上傳數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)生產(chǎn)方網(wǎng)絡(luò)節(jié)點。

(2)數(shù)據(jù)交易。利用區(qū)塊鏈管理的數(shù)據(jù)交易，使用不對稱加密、哈希算法、數(shù)字簽名來保障點對點數(shù)據(jù)交易的安全性。

假設(shè)B向A購買其上傳的科學(xué)實驗數(shù)據(jù)。則B產(chǎn)生一對公鑰和私鑰，B把其公鑰發(fā)給A，A用B發(fā)來B的公鑰加密交易數(shù)據(jù)，發(fā)給B。B用其私鑰解密A發(fā)來的數(shù)據(jù)。B計算解密后數(shù)據(jù)的哈希值，若與區(qū)塊鏈上記錄的數(shù)據(jù)一致，則說明是自己所要的數(shù)據(jù)，見圖5。

圖5 數(shù)據(jù)交易

不對稱加密過程，除A、B以外的其他人無法獲取數(shù)據(jù)，傳輸記錄全網(wǎng)可見，數(shù)據(jù)安全完整可靠。

4.2 架構(gòu)核心技術(shù)

4.2.1共識機(jī)制

區(qū)塊鏈?zhǔn)抢霉沧R算法保證整個網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點數(shù)據(jù)一致性的[21]。文獻(xiàn)[20]對共識機(jī)制的選擇，做了大量的分析比較。競爭類共識算法，消耗資源高，而選舉類共識算法，通信復(fù)雜度隨節(jié)點數(shù)增加快速變大，且僅有部分被選舉出來的節(jié)點可以作為主節(jié)點，去中心化程度受很大影響。審核記賬工作由機(jī)器計算完成，以“機(jī)器信任”[22]為基礎(chǔ)，防止數(shù)據(jù)泄密。隨機(jī)類共識，無需挖礦，避免了競爭類共識機(jī)制資源消耗高的問題，也避免了選舉類共識隨網(wǎng)絡(luò)規(guī)模通信成本提升的問題。

4.2.2數(shù)據(jù)存儲

按保密級別，將科學(xué)實驗數(shù)據(jù)分級管理。對于科研人員有特殊保密要求的科學(xué)實驗數(shù)據(jù)，僅用區(qū)塊鏈做存證和版權(quán)聲明，相關(guān)數(shù)據(jù)文件保存在科研人員的計算機(jī)上。對于沒有特殊保密需求的科學(xué)實驗數(shù)據(jù)，可以采用IPFS技術(shù)來存儲數(shù)據(jù)。IPFS(InterPlanetary File System，星際文件系統(tǒng))是去中心化的文件存儲方法[23]，是區(qū)塊鏈系統(tǒng)在存儲方面的重要拓展應(yīng)用[24]。IPFS是一種在分布式系統(tǒng)中共享資源或文件的技術(shù)[25]，將文件分布式的碎片存儲到若干個不同的區(qū)塊里面，形成存儲節(jié)點，存儲多個副本，可以為科學(xué)實驗數(shù)據(jù)提供安全可靠的存儲備份。

4.2.3交易共享

通過智能合約實現(xiàn)用戶注冊、登錄，數(shù)據(jù)查詢，數(shù)據(jù)交易的應(yīng)用功能。數(shù)據(jù)使用方要向數(shù)據(jù)所有方支付一定數(shù)量的系統(tǒng)代幣。如果沒有代幣則需要向代幣富余的用戶兌換。開放共享數(shù)據(jù)的獲取記錄也記錄在區(qū)塊鏈上，全網(wǎng)可見。

4.2.4激勵機(jī)制

科研人員既可以通過提交數(shù)據(jù)獲得系統(tǒng)獎勵，也可以通過數(shù)據(jù)交易獲取收益；科研機(jī)構(gòu)提供系統(tǒng)運行的機(jī)器算力，就有機(jī)會被選中作為審核節(jié)點，從而獲得系統(tǒng)獎勵；數(shù)據(jù)中心與科研機(jī)構(gòu)類似，有機(jī)會成為審核節(jié)點，獲得系統(tǒng)獎勵。在此激勵機(jī)制下，科研人員、科研機(jī)構(gòu)與數(shù)據(jù)中心協(xié)同工作，共同分享數(shù)據(jù)系統(tǒng)成長帶來的價值增溢。

5 結(jié) 語

區(qū)塊鏈技術(shù)安全可靠、數(shù)據(jù)可溯源[26]，應(yīng)用在數(shù)據(jù)管理領(lǐng)域，激勵多方協(xié)同，是數(shù)字時代的新智慧。區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用在科學(xué)實驗數(shù)據(jù)協(xié)同管理上具有安全風(fēng)險管控、知識產(chǎn)權(quán)保護(hù)、成本控制、激勵機(jī)制等諸多優(yōu)勢。本著以人為本的理念，通過架構(gòu)設(shè)計，解決科研人員的后顧之憂，在不增加大規(guī)模設(shè)備投入的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)科學(xué)實驗數(shù)據(jù)的價值增溢，為相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)實踐做必要的理論探討。