区块链视域下智慧图书馆的构建和应用场景

赵 楠

[辽宁省图书馆（辽宁省古籍保护中心），辽宁 沈阳 110167]

区块链技术是继大数据、云服务、人工智能之后最热门的技术之一，它是利用分布式数据存储、点对点传输、共识机制、加密算法等计算机技术的新型应用模式。区块链技术最早应用于金融领域，目前作为最安全的记账方式，已应用于多个生产、生活领域。图书馆作为城市文化服务的重要组成部分，引入区块链技术应用到智慧服务中，有利于解决隐私泄露、知识产权保护、数据存储去中心化等诸多问题。

1 区块链与智慧图书馆概述

1.1 区块链概述

区块链并非一种单一和全新的技术，而是多种现有技术（如加密算法、P2P文件传输等）整合的结果，这些技术与数据库巧妙地组合在一起，形成一种新的数据记录、传递、存贮与呈现方式。狭义上区块链是一种按照时间顺序将数据区块以顺序相连的方式组合成的一种链式数据结构，并以密码学方式保证其成为不可篡改和不可伪造的分布式共享账本。通俗讲区块链就是一种全民记账方式，区块链系统中每个人都有机会参与记账，系统把记账本内容发给系统的每个人进行备份，这样系统每个人都有了完整的账本。

区块链实现并建立了分布式信用体系，是现有互联网的升级，在将来的区块链网络中，可实现信息传递、价值传递和信用传递。2019年9月24日，习近平总书记强调“把区块链作为核心技术自主创新的重要突破口”“加快推动区块链技术和产业创新发展”。“区块链”作为概念和理论已逐步走进大众视野，成为社会的关注焦点[1]。

1.2 智慧图书馆概述

20世纪末，随着科技的发展，图书馆在数字化、信息化和网络化等方面取得了丰硕的成果。随着人工智能等新一轮技术革命在全球范围爆发式发展，各行业不断探索向智慧化转型，“智慧社会”初现雏形。党的十九大报告首次提出建设“智慧社会”[2]，作为智慧社会的重要组成部分，智慧图书馆的建设必将影响图书馆未来的业务结构、管理方式、运行机制以及服务能力，并成为带动图书馆新一轮转型发展的动力。2021年3月，《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和二〇三五年远景目标纲要》出台，明确提出开展智慧图书馆建设，为社会“提供智慧便捷的公共服务”[3]。在国家政策推动指导下，智慧图书馆从研讨层面开始推进到实践层面。

智慧图书馆的概念最早在芬兰萌芽，由奥卢大学的Markus Aittola等[4]提出，认为智慧图书馆是一个可以不受时间和空间影响的移动图书馆，是一种可以帮助读者寻找图书和相关资料的服务。目前，智慧图书馆尚无明确定义，通常认为智慧图书馆通过先进的信息技术打破信息壁垒，创新图书馆服务模式，将以资源为中心转变为以科学数据和知识服务为中心，彻底实现人与人、人与物、物与物的互联互通，最终实现按需提供、无线泛在的智慧化管理和服务。当一项服务采用无人方式同样能够受到读者的欢迎，甚至更受读者欢迎，这项服务就可以称为智慧服务[5]。图书馆智慧服务通常有以下几个特点：①共享性。智慧图书馆具有网络化、数字化的外部特征，通过互联网技术可将文献信息与读者和馆员进行互联，实现信息的共享，使读者节省更多时间，为馆员提供更加快捷的管理，并提供更加优质的服务。②高效性。由于智慧图书馆运用了智能技术，因此在管理流程上更加高效，馆员可以把更多精力投入到智慧服务中去。随着各类图书馆建筑面积的日益扩大，基础设施、服务体系的信息量和运载负荷也越来越大，这些巨大体量的信息一旦崩溃，就会给图书馆带来相当大的影响。图书馆需要借助更加灵敏的管理、更加智能的信息系统和更加完善的服务，才能为读者提供更加综合的信息服务。③便利性。智慧图书馆是建立在以人为本、公益惠民的理念之上，基于“图书馆+物联网+云计算+智慧化设备+……”的图书馆，既为馆员在智能化和自主化的基础上实现更高效率的管理，也为读者提供不受时空限制的便捷服务。④个性化。个性化服务是指针对不同读者需求提供个性化的推送和定制服务。目前，智慧图书馆可用大数据分析等对读者的行为路径进行深层次的统计、挖掘和分析，为不同读者提供针对性服务，体现了智慧图书馆服务的个性化。

简言之，智慧图书馆是把智能技术运用到图书馆中而形成的高度自动化管理的数字图书馆，是数字图书馆的最高级别，既不受时空限制，又能被切实感知，通过物联网实现传统图书馆智慧化的服务和管理。

1.3 区块链带来的图书馆服务变革

万物互联时代，数据是互联的基础。因此，图书馆的智慧服务也是基于爆发式增长的海量资源，实现人与物、物与物的数据交流和传输，当然也包括如何使数据能安全、有效、便利地流动起来。2019年武汉大学信息资源研究中心的曾子明等[6]从注重读者的体验出发，提出智慧图书馆服务要基于物联网、云计算、人工智能、区块链等技术，这是区块链首次被提出应用于图书馆行业。利用区块链技术，可以形成安全、稳定、高效的数据，提升传统图书馆服务方式，实现图书馆的智慧化服务和可持续发展。

2 区块链在智慧图书馆中的契合性分析

2.1 区块链在智慧图书馆中的可用性

图书馆拥有大量的数据资源，数据的采集主要依靠感应器设备、射频系统等，因此要随时面临数据的安全、隐私管理等问题。由于区块链利用密码学原理，生成的数据块有高度安全性，因此在智慧图书馆建设中，读者信息以及图书馆信息资源都可以成为区块链上的数据块，让有价值的信息数据流向更高的数据区块，从而推动资源建设，优化资源利用率。

2.2 区块链在智慧图书馆中的可行性

图书馆数据资源越来越多，数据结构也呈现多样化，数据信息更加容易暴露。区块链去中心化的管理模式可以实现信息传递和资源共享，在节点上生成时间戳，保证了信息的安全性和可靠性，实现非结构化信息的存储，保证数据的隐私安全，解决数据量大、结构复杂等问题。因此，在智慧图书馆建设中引入区块链，可以突破图书馆智慧服务的困境，并为之注入新活力。

3 基于区块链技术的智慧图书馆构建价值

3.1 实现信息资源的开放共享

区块链的不可篡改性、去中心化分布，实现了分布式数据存贮数据库，因此在智慧图书馆的建设中可以将内部资源进行调整，将具有特色的馆藏资源对馆外机构、读者开放共享，读者既是传播的客体也是主体，成为潜在的信息资源传播者与分享者。

3.2 保证信息资源准确性，提供个性化服务

由于区块链具有分布式记账技术，可以记录读者的阅读轨迹，并用大数据分析出读者的真实需求，实现了读者与图书馆之间、读者与读者之间的双向互动，帮助读者更快更准地获取信息资源，提供个性化服务。

3.3 保证智慧平台的安全稳定

智慧图书馆建设引入区块链的概念能够保证图书馆系统的稳定性和服务高效性。区块链可完成海量信息的存储和验证工作，在保证数据安全的同时，还能将链上参与的节点数据进行复制处理，为智慧图书馆建设提供安全稳定的技术保障。

4 区块链技术在智慧图书馆的模型架构及其实现

4.1 模型架构

智慧图书馆是通过对数据的收集、挖掘与分析，找到读者的行为规律并进行预测，了解读者真正的需求，实现读者与图书馆的交互。区块链技术具有去中心化、共识机制、数据安全等特点，保证了数据的安全性和可传播性，实现读者群、信息资源、图书馆、服务之间的完美融合，保证了资源利用与知识传播，更好地为读者服务[7]。区块链技术应用于智慧图书馆的框架如图1所示。

图1 区块链技术下的智慧图书馆框架

4.2 框架分析

4.2.1 物理层

物理层是整个框架结构的最底层，是智慧图书馆软硬件的集合体，是最基本的物质基础。主要包括用户数据系统、业务数据系统、数据库系统、身份识别系统、无线传感系统和网络系统等。业务数据系统、用户数据系统和数据库系统是一切数据和数字资源的来源，利用区块链可以使数据更安全、服务更便利，是一切服务的基础。网络系统为区块链提供了通信环境，利用网络可以快速地大连接，使区块链技术在智慧图书馆的应用落地。身份识别、无线传感系统用于数据的采集和监测，了解读者在整个图书馆中的动态，便于进行数据分析并实时推动。

4.2.2 控制层

区块链技术可以克服传统技术的不足，数据控制采用了去中心化和数字加密，实现信息及时更新，保证了数据的安全性和传播的高效性。管理控制可实现对数据的调度，使得区块链技术完美应用于系统中，让读者成为数据的主人。网络控制采用共识机制，防止数据被篡改，保证数据信息和行为记录的安全性。将区块链技术应用于智慧图书馆中，将改变传统的服务模式，实现可持续发展，推动资源的共建。

4.2.3 数据层

数据层是整个架构的核心模块，由4部分组成，分别是区块结构、链式结构、交易结构和数字签名。区块结构里包括了图书馆所有的信息资源，如文本信息、视频、音频等，读者的所有操作记录如下载、检索、借阅等也都保存在区块结构里。交易结构里包含了发送方和接收方的地址、数据索引值、哈希值等，在每次交易结束后都要有数字签名，保证交易的完整性和真实性。

4.2.4 路由层

区块链技术在智慧图书馆的建设中将改变读者利用图书馆资源的方式和渠道，实现由集中服务向分散服务的微服务变革。路由层由4部分组成，分别是路由机制、共识机制、传播机制和校验机制。网络结构采用去中心化服务节点，提高了网络可扩展性，使图书馆和读者间由服务和被服务的关系变为平等的知识传播和互动关系。由于有多个节点需要相互达成认可，共识机制保证了节点之间数据的一致性和可认可性。传播机制可以提升读者对图书馆的信任度，校验机制保证了数据的有效性。因此区块链的加入，可以多点资源共享，形成安全有效的知识网。

4.2.5 应用层

应用层是区块链应用的对外表现层，主要服务包括资源建设、智慧借阅、个性化推送、用户隐私等。区块链技术嵌入到图书馆的业务系统中，可保证系统稳定性强、安全性高、响应快，满足读者多样化需求，有利于图书馆服务的创新。

4.3 实现手段

Fabric是一个功能完善、支持多通道、主要面向企业应用的区块链系统。它采用了带有许可认证的节点管理方式，经过认证的成员节点可以交互，Fabric制定了一套完整的数据加密传输处理机制，可以进一步保护隐私，保证成员数据的安全有效，因此可以基于Fabric建立图书馆智慧管理系统。

区块链的每一个区块头上都包含一个哈希值，哈希值能保证数据不被篡改且唯一。通过哈希层层嵌套，将所有区块串联在一起形成链状结构，并构成区块链（见图2）。

图2 区块链的链式结构

用户可以发送请求到Web服务端（包括应用客户端和移动客户端），服务端收到命令后访问数据库并调入区块链，将得到的结果返回到Web服务端并展示给用户。在图书馆运行系统中融入区块链可以去中心化、防篡改，不但保留原平台的内容，还能提高服务效率（见图3、图4）。

图3 区块链与图书馆业务流程

图4 区块链与图书馆系统的结合

5 区块链在智慧图书馆中的应用场景

目前，区块链技术在图书馆领域的应用场景主要有数字资源共享、知识产权保护、资源去中心化、数据信息安全保护、用户共生知识资源等，具体应用场景如下。

5.1 用户体验与用户隐私共存

图书馆为更好地服务读者，需要深度挖掘读者信息，包括读者基本信息、行走路径、检索痕迹、阅读轨迹、下载内容等。读者出于隐私保护，将信息隐藏，从而不利于图书馆智慧服务的发展，引入区块链技术可以解决这一问题。

区块链技术采用分布式身份认证系统，此系统分为两部分，一是用户的ID，此ID是唯一的；二是ID下权威机构为用户颁布的认证声明，不涉及用户的隐私。在分布式网络中区块链技术可以将每个用户放在其中，通过共识机制建立信任[8]，用户通过认证获取相应的服务，公有链上的其他用户都无法获取该用户的隐私信息，从而保证了用户信息的安全。分布式结构可以是网络中的任何设备，使得分布式身份认证得以实现。

5.2 数字资源共建去中心化

区块链由多个加密的数据块组成，连接依靠哈希指针，外界很难篡改，保证了数据的真实性。可以将图书馆自有数据资源或特色数据资源进行上载，在链上的其他馆可通过自身权限进行下载，不仅可以满足更多读者需求，也可以避免资源重复购买，节约了资金。区块链技术的优势，改变了传统图书馆统一存储和传播的服务方式，而是通过各节点进行传播和存储；在用户访问过程中，庞大的验证、审核、保障工作都交由区块链技术进行处理，节省了图书馆的技术开发成本；改变图书馆界资源不均衡现象，推动资源共享，减轻财政负担。

区块链的加入也会弱化资源在图书馆集中存储的中心地位，影响用户对该馆服务的评价。为此，图书馆可以选出优秀的节点作为图书馆下一级的资源传播者，形成母-子节点，将资源传播给子节点，授权子节点成为知识的传播者，图书馆发挥管理监督作用，形成区域化、低延时的服务节点群，不仅做到去中心化，也能提高用户对图书馆的服务评价。

5.3 图书智慧借阅

传统的图书馆是图书借阅的“中转站”，图书借阅状态和借阅情况会受到诸多因素影响，读者很难实现按意愿、按时间排序申请借阅。区块链可以将每本书的基本信息以及借出时间和归还时间作为一个节点，读者都可以访问该节点信息。若某一读者想要借某本书，可以查到该书的归还时间并进行预约，当图书归还时，便可以到图书馆这一“中转站“进行取书，并将自己的借阅时间和归还时间记录在区块链里，便于下一名读者预约。图书馆在整个流程中起到监督管理作用，利用区块链的可追溯性和不可篡改性，最大程度地避免图书丢失和损坏。

5.4 智慧阅读与资源生产相互促进

智慧图书馆的服务主要分为两方面：一是到馆的智慧服务，二是互联网上的智慧服务。在到馆的智慧服务中，可以利用5G技术发展AR/VR，将虚拟变成现实。AR/VR突破了传统的平面阅读，创造一个视觉、听觉、触觉高度逼真的虚拟阅读环境，为读者提供良好的空间体验感。在互联网的智慧服务中，采用区块链技术可以让读者成为一个节点。长久以来，读者一直是图书馆的服务对象，采用区块链技术后，读者也可以是服务的提供者，如将自己的心得、资料、数据资源等分门别类上载并设置为公开、非公开或限制公开权限，实现有效管理，只有通过授权才能被其他读者访问[9]。节点上记录了交易的全部过程，增强了读者互动和交流的意愿，由于每个节点是平等的，真正做到了人人参与[10]，提升了读者的参与度。因此在智慧图书馆的服务中，不再是服务与被服务的关系，而是资源共享、信息交流、知识提供的关系。区块链的引入，让图书馆与读者相互促进的关系得到了保障。

5.5 纸质资源共享管理

目前纸质资源依然是图书馆最主要的资源，而纸质资源的采购依然有很多需要提高和改进之处。长期以来，图书馆因为地域、文化、经济等差异，采购倾向也会有所不同，如何能更好地丰富馆藏资源、合理配置馆藏类别，是每个图书馆需要思考的问题。通过区块链技术，建立图书馆区块链采购联盟，此联盟内的图书馆都可以上传本馆采购数据，其他馆通过区块链上分享的采购数据，了解各馆的采购情况并分析自身的不足，以此来丰富本馆馆藏类别和具有地方特色的文献。同时书商也可以进入联盟内定期上传新书进行推荐，各馆可以更加方便地进行文献采购。

6 结语

区块链技术的应用，会引发图书馆资源共享的数据膨胀、节点和账户的管理等问题，造成系统执行效率低下。数据膨胀指的是在区块链的应用过程中形成大量的节点，使得占用空间不断增长造成效率的低下，解决此问题需要改善数据算法，通过算法优化，治理和存贮数据，解决数据膨胀问题。节点和账户的管理问题，是指各图书馆账户人员的配置问题以及不同账户的读写权限限制。因此在图书馆的管理层面要做好规划和管理控制，避免造成区块链上的读写混乱，同时还要在区块链上加强数据监管，提高稳定性和安全性。在智慧图书馆的建设中，可以引入5G、大数据、云计算、人工智能等新技术，形成“大数据+云计算+人工智能+区块链+5G”的新型智慧图书馆模式，使图书馆行业更好地发展，提升图书馆的社会价值，更好地为广大读者服务。