浅析物联网技术在海关集装箱监管系统中的应用

■川北医学院 程 博

随着全球经济的飞速发展以及国际贸易的不断扩大，集装箱运输在国际货物运输中发挥着越来越重要的作用，成为货物运输的必然发展趋势。在跨国运输中有90%的货运量都是采用集装箱运输来完成。最近几年我国港口集装箱吞吐量以每年30%左右的速度不断上升，我国逐渐发展成为世界集运中心。然而，在飞速发展的背后，我国港口在现有体制下，在集装箱运输业务监管方面还存在较多的问题，如信息化程度滞后、信息集成度不高、无法保证运输安全等问题较为普遍。近几年随着信息技术的不断发展，一些先进的信息技术和网络技术被不断应用到港口的集装箱监管业务中，实现了各部门和各环节之间的信息实时共享和密切配合。尤其是以RFID技术为核心的物联网技术的兴起和发展，大大提高了集装箱监管业务的效率。

1 基于物联网技术的港口集装箱监管业务现状

目前，在港口集装箱运输监管业务中已引入RFID相关技术，如美国Savi Networks公司为了实现多国集装箱箱航线的联网，加强对集装箱海运的全程监管，提出了SaviTrak 方案；中集集团早在2003年就开始启动智能集装箱项目，积极进行RFID电子标签以及读写设备的研发，利用智能集装箱信息管理系统实现了对港口集装箱的自动识别和跟踪监管。2007年，国家十五部委联合颁发的《白皮书》进一步明确了RFID技术将在集装箱海运业务中广泛采用。上海锐帆更是应用ICollectedTM技术研发了高性价比的电子标签系列产品和解决方案。

综上所述，RFID技术以及相关技术已在港口集装箱监管业务中被部分采用，在今后，随着高新信息技术不断发展和迅速普及，在集装箱运输监管中也将越来越多地采用先进的信息技术和网络技术。然而，从当前我国集装箱监管业务中RFID的应用现状来看，还没有真正适合海关的有效应用RFID技术的集装箱监管系统，多数现有系统的技术水平比较落后，越来越无法满足海关日常的工作需要，究其原因，既有海关现有管理模式的原因，也有信息技术运用推广等各方面的原因。因此，在海关集装箱监管系统中成功应用以RFID为核心的物联网技术，对实现集装箱运输的精准化、实时化和自动化管理具有重要的现实意义。

2 物联网相关技术分析

2.1 RFID技术

物联网技术中最核心的技术即RFID技术，大规模集成电路以及微处理器技术的发展，进一步推动了RFID技术在民用领域的应用。全球零售巨头沃尔玛的配送中心要求上游供应商在进行补货时全部使用RFID标签记录产品信息，大大提高了配送中心补货的速度和效率，每年能够节省超过80亿美元的成本。一般来说，RFID系统主要包括阅读器、天线和标签三个部分，其系统体系架构如图1所示。其中阅读器主要包括微处理器、传送器和接收器三个部分，借助天线，阅读器和电子标签之间能够实现信息的读取和识别。天线则主要负责传递射频信号，根据需要，阅读器上可配置两个或两个以上天线，根据系统的工作频率范围，电子标签和天线之间的匹配较为复杂。

图1 RFID系统体系架构

RFID标签主要包括耦合元件、芯片、微型天线三个部分，在RFID电子标签内部存有唯一的电子编码，能够对目标对象进行标识。当贴有电子标签的产品移至阅读器的扫描场时，阅读器上发出的射频信号将会对芯片中的电子编码发送特定频率的电子信号。

2.2 无线局域网

在物联网系统构建中，无线局域网发挥着非常重要的作用，主要为特定区域范围内的多个用户提供网络访问服务。在无线局域网架构（如图2所示）中，其最核心的部分为网络接入点以及基本服务点（Basic Service Set，BSS），其中基本服务点主要包括多个无线网络用户。图2所示的无线局域网架构中，基本服务组和上层网络之间通过路由器进行连接，在各基本服务组内，各种设备首先通过连接点和路由器进行连接，再通过路由器和上层网络进行连接。

图2 无线局域网架构

为了避免无线局域网络连接时多个信道之间的相互干扰，导致数据包丢失，必须采用多用户信道访问协议对信道访问进行控制，同时，在数据链路层建立数据的确认/重传机制，根据数据确认/重传机制，数据发送端和接收端之间能够对物理层解码进行检查，在传输失败的情况下，能够按照多用户信道访问协议重传数据。数据链路层确认/重传帧示意图如图3所示。

图3 数据链路层确认/重传帧示意图

3 海关集装箱运输监管系统分析

3.1 海关集装箱运输监管业务功能需求分析

我国海关很早就针对港口集团的集装箱运输管理业务实施了一系列监管程序，并在实际应用中取得了一定的效果，实现了海关监管力度的加强。但是一直以来，海关对集装箱运输的监管程序主要分散在海关主页、电子口岸网以及港口EDI中心，缺乏统一的管理和集成，从而造成海关职能部门对于集装箱监管业务不能实现统一的管理，实际监管业务中风险和隐患较多，现行港口集装箱运输监管应用程序亟待进一步完善和整合，以实现原有功能的提升和新功能的开发引入。

从海关对集装箱管理的程序以及内容看，海关集装箱监管系统总体功能包括：①查询：海关和企业能够方便地进行集装箱动态信息查询；②监管：实现海关对港口集装箱运输的严密监管；③控制：系统需要满足海关对港区以及堆场集装箱的有效控制。根据调研，可确认海关监管系统总体功能如图4所示。

图4 海关集装箱监管系统总体功能示意图

3.2 海关集装箱运输监管系统性能需求分析

根据对海关集装箱运输监管业务的功能分析，结合开发的实际需要，基于RFID的海关集装箱监管系统所需要满足的性能需求主要包括：

（1）系统可用性：根据系统开发的既定目标，系统运行时应能够实现所有功能模块的功能；

（2）系统运行稳定、可靠：在构建系统时应保证系统硬件设备和软件符合高可靠性和稳定性要求；

（3）系统的易操作性：系统应便于操作，能够快速为用户所接受，具有较高的易操作性；

（4）系统应便于维护：系统运行过程中出现问题，应便于及时维护。

（5）适应性和可扩展性：系统在进行设计的时候应考虑到技术变化的可能性，为将来能够对系统进行扩展预留接口。在将来业务量增加时，系统应该具有一定的可扩展性；

（6）系统安全保密性：网络的不安全性使得系统中的数据传输时容易被篡改或者截取。在进行系统设计时，应注意提高安全、可靠的数据存储服务。

除此之外，海关集装箱运输监管系统还应该具有响应时间短、更新处理速度快、数据传输速度快等特点，同时要求具有完善的用户管理机制。

4 基于物联网的海关集装箱监管系统设计

4.1 系统设计思路

海关集装箱监管系统和海关工作人员的日常业务关系比较密切，因此系统设计好坏对系统的进一步推广影响较大。首先，在进行系统设计时应遵循集中管理、分类运行、统一平台以及方便操作的原则。基于物联网的海关集装箱监管系统，要求新旧系统均通过监管职能部门实现统一归口管理，遵循统一的规章制度、账户授权、数据管理以及程序升级等。对待不同的业务操作，要在海关平台上实现分类运行，其他不涉及监管业务的操作，则在电子口岸平台通过查询功能实现；其次，根据软件研发过程，基于物联网的海关集装箱监管系统也需要严格遵循软件生存周期瀑布模型，系统主要研发阶段包括三个阶段：①定义阶段；②设计开发阶段；③维护阶段，软件生存周期瀑布模型如图5所示。

图5 软件生存周期瀑布模型示意图

4.2 网络体系结构设计

进行整个系统设计时，网络体系结构的设计是重要的组成部分，关系到整个系统研发的成败。基于物联网的海关监管系统网络体系结构如图6所示。其中包括有线网、无线局域网以及无线传感网等网络传输系统，系统主要利用RFID技术和无线传感网作为数据采集层，Web 应用层主要包括海关内部无线局域网和传统的有线网络。

图6 基于物联网的海关监管系统网络体系结构

系统数据采集主要利用集装箱上配置的RFID标签，对集装箱装箱信息以及货物信息进行储存。读卡器主要分为两种：①基站式读卡器；②无线手持式读卡器。在集装箱进出关以及在海关内部集装箱进行转移时，读卡器将对标签内的相应信息进行读取，并回传至数据处理中心。中间层主要负责处理和存储转发数据，获得集装箱相应信息后，通过海关内部无线局域网将详细数据传输至数据处理中心，由数据处理中心对数据进行相应的处理。Web应用层主要包括传统的有线网络和无线网络，Web应用层直接和外界互联网相连，内部和海关门户网站相连。外部用户以及海关内部关员能够通过浏览器直接登录Web服务器。Web服务器根据用户指令调用业务逻辑模块，对数据进行存储。

多网融合的网络传输模式，能够保证数据从采集到传输、存储过程中的安全稳定，并消除在数据传输中存在的“盲区”。RFID系统和无线传感网技术的综合应用，能够实现数据的自动、快速、可靠识别以及采集、存储，确保海关对集装箱信息的全程跟踪和监控。

4.3 系统硬件平台设计

基于物联网的海关集装箱监管系统所应用到的主要硬件设施包括：RFID系统、基站式读写器、手持式无线读写器。

（1）RFID系统。RFID系统主要用于集装箱监管系统中的底层数据采集。考虑到数据采集中的通信距离问题，为了保证基础信息采集的准确性，RFID系统在此采用有源式RFID标签，并采用软硬件设计策略和低功耗技术提高海关集装箱监管系统的实用性。

图7 RFID系统电子标签（i-TagRT-202）

如图7所示为集装箱电子标签i-TagRT-202，该标签能够实现对集装箱运输信息的实时跟踪，减少监管过程中错箱、漏箱等情况的出现，提高集装箱运输和监管的安全性以及可靠性。

（2）基站式读写器。基站式读写器一般采用外接电源，以固定方式安装于特定的位置。如图8所示为基站式读写器i-ReaderRR-508， 基站式读写器主要和安装于集装箱上的电子标签进行通讯，自动采集集装箱信息，并将其传输至数据处理中心。基站式读写器i-ReaderRR-508具有长距离、双向通讯功能，其数据读取的能力较强，范围较大。

图8 基站式读写器

（3）手持式读写器。手持式读写器i-ReaderRR-80x是一种基于CF/SD接口的长距离PDA读写器，具有体积小和电脑一体化等优势，使用起来比较灵活，海关关员可以随身携带，利用无线手持式读写器完成信息采集后，通过无线局域网能够将信息传输至数据处理中心。

图9 RFID手持式阅读器

4.4 系统软件平台设计

完成硬件设备的配套后，需要对系统的软件体系架构进行设计，以Web应用层软件体系结构为例，Web应用层从下至上包括操作系统、数据库、Web容器、网络应用服务器和客户端。通过操作系统驱动硬件设备，并对各用户的任务进行管理。在选择数据库时，为了便于数据的存储和访问，选用Oracle大型商业型数据库。

Web容器中，采用经典的MVC 模式和系统的数据库访问层、业务层以及表示层相对应。系统在进行数据访问时以Hibemate作为中间件，通过封装的JDBC和数据库之间进行交互。表示层、业务层以及数据库访问层之间主要通过数据库传输对象来实现信息交互。Web应用层软件体系结构如图10所示。作为Web容器的承载媒介，网络应用服务器主要对Web层不同模块进行解析，并向用户进行静态展示，另外，网络应用服务器还用于控制客户端用户的访问，通过控制访问用户的数量，来保持统一资源在被多个用户访问时的稳定性，该系统采用JBoss网络应用服务器，在最上层的客户端，外界用户可以通过各类浏览器实现对部分内容的直接访问。同时，服务端程序和客户端维护程序比较简单。

图10 Web应用层软件体系结构

5 基于物联网的海关集装箱监管系统实现

5.1 系统主界面实现

基于物联网的海关集装箱监管系统主界面包括菜单导航、左侧功能菜单以及主操作区等部分。

左侧功能菜单主要包括企业申报、申报审批、监管控制等，主要用来对部分可集中的功能进行统一，以方便用户操作。主操作区主要包括桌面和具体操作页面两种形式，点击不同的菜单，主操作区所显示的内容不同。其中系统桌面能够根据用户权限不同显示其能够操作的全部内容，通用的操作都会被显示在对应的主操作区桌面。

5.2 系统主要功能模块实现

（1）集装箱转场管理模块实现。“待审批转场/转码头申请”被显示在主操作区，系统会根据用户权限进行判断，有权限的用户才被允许查看记录内容。集装箱转场/转码头申请主要包括表头和表体两个部分，根据编号规则，系统将会自动生成集装箱转场/转码头申请编号，并由手动录入其他相关信息，“暂存”后系统将会对录入数据信息的规范性等进行自动检查，如信息不符合规范，系统发出错误提示，经用户确认后返回信息录入界面，否则显示为“已录入未申报”，点击“保存”后状态标识显示为“申报”，系统对申报数据信息规范性进行检查后，修改申请执行标识为“已申报未审批”并退出系统。系统集装箱转场管理模块示意图如图11所示。

图11 系统集装箱转场管理模块示意图

（2）进场信息核对模块实现。当点击“进场信息核对”功能，可进入“当日进场情况查询”界面，能够对当日集装箱进场情况以及近一个月内的集装箱进场情况进行查询，如图12所示。除此之外，系统还可为操作人员提供选择一定查询条件进行信息过滤的功能。

图12 集装箱监管系统进场情况查询示意图

（3）拼箱监管模块实现。拼箱监管模块主要提供“暂存”、“提交”、“取消”等功能，对于相关数据信息，可选择“暂存”将其暂时存储在本地，可随时调出进行修改；如点击“提交”，则表示将相关数据信息提交给海关进行审批，这种状态下，操作人员将不能修改数据信息；点击“取消”则返回主界面。拼箱监管功能模块如图13所示。

图13 拼箱监管模块申报单示意图

（4）空箱监管功能模块实现。进入到“空箱监管”主操作界面后，将会显示“未提交空箱申请信息”以及“待处理空箱申请信息”等内容，如想查询具体记录，则点击即可进入到相应的处理界面。空箱监管模块操作界面如图14所示。

图14 空箱监管主操作界面

6 结论

随着全球都比较落后，信息化程度低和集成程度不足等问题一直困扰着我国海关集装箱监管业务。通过引入先进的物联网技术以及无线局域网技术，设贸易的不断扩大，国际间集装箱运输业务发展迅猛，在办理海关通关业务时，海关查验工作量大大增加。一直以来，在我国海关通关业务管理中，信息化建设计研究基于物联网的海关集装箱监管系统，围绕RFID技术和无线局域网技术，对海关集装箱监管系统的硬件配套设施以及软件网络体系架构进行分析和调整，希望能够为我国在集装箱监管业务方面实现全程的实时跟踪和监控，全面降低海关集装箱监管成本，不断提高我国进出口通关效率提供一定的参考。