淺析物聯網技術在海關集裝箱監管系統中的應用

■川北醫學院 程 博

隨著全球經濟的飛速發展以及國際貿易的不斷擴大，集裝箱運輸在國際貨物運輸中發揮著越來越重要的作用，成為貨物運輸的必然發展趨勢。在跨國運輸中有90%的貨運量都是采用集裝箱運輸來完成。最近幾年我國港口集裝箱吞吐量以每年30%左右的速度不斷上升，我國逐漸發展成為世界集運中心。然而，在飛速發展的背后，我國港口在現有體制下，在集裝箱運輸業務監管方面還存在較多的問題，如信息化程度滯后、信息集成度不高、無法保證運輸安全等問題較為普遍。近幾年隨著信息技術的不斷發展，一些先進的信息技術和網絡技術被不斷應用到港口的集裝箱監管業務中，實現了各部門和各環節之間的信息實時共享和密切配合。尤其是以RFID技術為核心的物聯網技術的興起和發展，大大提高了集裝箱監管業務的效率。

1 基于物聯網技術的港口集裝箱監管業務現狀

目前，在港口集裝箱運輸監管業務中已引入RFID相關技術，如美國Savi Networks公司為了實現多國集裝箱箱航線的聯網，加強對集裝箱海運的全程監管，提出了SaviTrak 方案；中集集團早在2003年就開始啟動智能集裝箱項目，積極進行RFID電子標簽以及讀寫設備的研發，利用智能集裝箱信息管理系統實現了對港口集裝箱的自動識別和跟蹤監管。2007年，國家十五部委聯合頒發的《白皮書》進一步明確了RFID技術將在集裝箱海運業務中廣泛采用。上海銳帆更是應用ICollectedTM技術研發了高性價比的電子標簽系列產品和解決方案。

綜上所述，RFID技術以及相關技術已在港口集裝箱監管業務中被部分采用，在今后，隨著高新信息技術不斷發展和迅速普及，在集裝箱運輸監管中也將越來越多地采用先進的信息技術和網絡技術。然而，從當前我國集裝箱監管業務中RFID的應用現狀來看，還沒有真正適合海關的有效應用RFID技術的集裝箱監管系統，多數現有系統的技術水平比較落后，越來越無法滿足海關日常的工作需要，究其原因，既有海關現有管理模式的原因，也有信息技術運用推廣等各方面的原因。因此，在海關集裝箱監管系統中成功應用以RFID為核心的物聯網技術，對實現集裝箱運輸的精準化、實時化和自動化管理具有重要的現實意義。

2 物聯網相關技術分析

2.1 RFID技術

物聯網技術中最核心的技術即RFID技術，大規模集成電路以及微處理器技術的發展，進一步推動了RFID技術在民用領域的應用。全球零售巨頭沃爾瑪的配送中心要求上游供應商在進行補貨時全部使用RFID標簽記錄產品信息，大大提高了配送中心補貨的速度和效率，每年能夠節省超過80億美元的成本。一般來說，RFID系統主要包括閱讀器、天線和標簽三個部分，其系統體系架構如圖1所示。其中閱讀器主要包括微處理器、傳送器和接收器三個部分，借助天線，閱讀器和電子標簽之間能夠實現信息的讀取和識別。天線則主要負責傳遞射頻信號，根據需要，閱讀器上可配置兩個或兩個以上天線，根據系統的工作頻率范圍，電子標簽和天線之間的匹配較為復雜。

圖1 RFID系統體系架構

RFID標簽主要包括耦合元件、芯片、微型天線三個部分，在RFID電子標簽內部存有唯一的電子編碼，能夠對目標對象進行標識。當貼有電子標簽的產品移至閱讀器的掃描場時，閱讀器上發出的射頻信號將會對芯片中的電子編碼發送特定頻率的電子信號。

2.2 無線局域網

在物聯網系統構建中，無線局域網發揮著非常重要的作用，主要為特定區域范圍內的多個用戶提供網絡訪問服務。在無線局域網架構（如圖2所示）中，其最核心的部分為網絡接入點以及基本服務點（Basic Service Set，BSS），其中基本服務點主要包括多個無線網絡用戶。圖2所示的無線局域網架構中，基本服務組和上層網絡之間通過路由器進行連接，在各基本服務組內，各種設備首先通過連接點和路由器進行連接，再通過路由器和上層網絡進行連接。

圖2 無線局域網架構

為了避免無線局域網絡連接時多個信道之間的相互干擾，導致數據包丟失，必須采用多用戶信道訪問協議對信道訪問進行控制，同時，在數據鏈路層建立數據的確認/重傳機制，根據數據確認/重傳機制，數據發送端和接收端之間能夠對物理層解碼進行檢查，在傳輸失敗的情況下，能夠按照多用戶信道訪問協議重傳數據。數據鏈路層確認/重傳幀示意圖如圖3所示。

圖3 數據鏈路層確認/重傳幀示意圖

3 海關集裝箱運輸監管系統分析

3.1 海關集裝箱運輸監管業務功能需求分析

我國海關很早就針對港口集團的集裝箱運輸管理業務實施了一系列監管程序，并在實際應用中取得了一定的效果，實現了海關監管力度的加強。但是一直以來，海關對集裝箱運輸的監管程序主要分散在海關主頁、電子口岸網以及港口EDI中心，缺乏統一的管理和集成，從而造成海關職能部門對于集裝箱監管業務不能實現統一的管理，實際監管業務中風險和隱患較多，現行港口集裝箱運輸監管應用程序亟待進一步完善和整合，以實現原有功能的提升和新功能的開發引入。

從海關對集裝箱管理的程序以及內容看，海關集裝箱監管系統總體功能包括：①查詢：海關和企業能夠方便地進行集裝箱動態信息查詢；②監管：實現海關對港口集裝箱運輸的嚴密監管；③控制：系統需要滿足海關對港區以及堆場集裝箱的有效控制。根據調研，可確認海關監管系統總體功能如圖4所示。

圖4 海關集裝箱監管系統總體功能示意圖

3.2 海關集裝箱運輸監管系統性能需求分析

根據對海關集裝箱運輸監管業務的功能分析，結合開發的實際需要，基于RFID的海關集裝箱監管系統所需要滿足的性能需求主要包括：

（1）系統可用性：根據系統開發的既定目標，系統運行時應能夠實現所有功能模塊的功能；

（2）系統運行穩定、可靠：在構建系統時應保證系統硬件設備和軟件符合高可靠性和穩定性要求；

（3）系統的易操作性：系統應便于操作，能夠快速為用戶所接受，具有較高的易操作性；

（4）系統應便于維護：系統運行過程中出現問題，應便于及時維護。

（5）適應性和可擴展性：系統在進行設計的時候應考慮到技術變化的可能性，為將來能夠對系統進行擴展預留接口。在將來業務量增加時，系統應該具有一定的可擴展性；

（6）系統安全保密性：網絡的不安全性使得系統中的數據傳輸時容易被篡改或者截取。在進行系統設計時，應注意提高安全、可靠的數據存儲服務。

除此之外，海關集裝箱運輸監管系統還應該具有響應時間短、更新處理速度快、數據傳輸速度快等特點，同時要求具有完善的用戶管理機制。

4 基于物聯網的海關集裝箱監管系統設計

4.1 系統設計思路

海關集裝箱監管系統和海關工作人員的日常業務關系比較密切，因此系統設計好壞對系統的進一步推廣影響較大。首先，在進行系統設計時應遵循集中管理、分類運行、統一平臺以及方便操作的原則。基于物聯網的海關集裝箱監管系統，要求新舊系統均通過監管職能部門實現統一歸口管理，遵循統一的規章制度、賬戶授權、數據管理以及程序升級等。對待不同的業務操作，要在海關平臺上實現分類運行，其他不涉及監管業務的操作，則在電子口岸平臺通過查詢功能實現；其次，根據軟件研發過程，基于物聯網的海關集裝箱監管系統也需要嚴格遵循軟件生存周期瀑布模型，系統主要研發階段包括三個階段：①定義階段；②設計開發階段；③維護階段，軟件生存周期瀑布模型如圖5所示。

圖5 軟件生存周期瀑布模型示意圖

4.2 網絡體系結構設計

進行整個系統設計時，網絡體系結構的設計是重要的組成部分，關系到整個系統研發的成敗。基于物聯網的海關監管系統網絡體系結構如圖6所示。其中包括有線網、無線局域網以及無線傳感網等網絡傳輸系統，系統主要利用RFID技術和無線傳感網作為數據采集層，Web 應用層主要包括海關內部無線局域網和傳統的有線網絡。

圖6 基于物聯網的海關監管系統網絡體系結構

系統數據采集主要利用集裝箱上配置的RFID標簽，對集裝箱裝箱信息以及貨物信息進行儲存。讀卡器主要分為兩種：①基站式讀卡器；②無線手持式讀卡器。在集裝箱進出關以及在海關內部集裝箱進行轉移時，讀卡器將對標簽內的相應信息進行讀取，并回傳至數據處理中心。中間層主要負責處理和存儲轉發數據，獲得集裝箱相應信息后，通過海關內部無線局域網將詳細數據傳輸至數據處理中心，由數據處理中心對數據進行相應的處理。Web應用層主要包括傳統的有線網絡和無線網絡，Web應用層直接和外界互聯網相連，內部和海關門戶網站相連。外部用戶以及海關內部關員能夠通過瀏覽器直接登錄Web服務器。Web服務器根據用戶指令調用業務邏輯模塊，對數據進行存儲。

多網融合的網絡傳輸模式，能夠保證數據從采集到傳輸、存儲過程中的安全穩定，并消除在數據傳輸中存在的“盲區”。RFID系統和無線傳感網技術的綜合應用，能夠實現數據的自動、快速、可靠識別以及采集、存儲，確保海關對集裝箱信息的全程跟蹤和監控。

4.3 系統硬件平臺設計

基于物聯網的海關集裝箱監管系統所應用到的主要硬件設施包括：RFID系統、基站式讀寫器、手持式無線讀寫器。

（1）RFID系統。RFID系統主要用于集裝箱監管系統中的底層數據采集。考慮到數據采集中的通信距離問題，為了保證基礎信息采集的準確性，RFID系統在此采用有源式RFID標簽，并采用軟硬件設計策略和低功耗技術提高海關集裝箱監管系統的實用性。

圖7 RFID系統電子標簽（i-TagRT-202）

如圖7所示為集裝箱電子標簽i-TagRT-202，該標簽能夠實現對集裝箱運輸信息的實時跟蹤，減少監管過程中錯箱、漏箱等情況的出現，提高集裝箱運輸和監管的安全性以及可靠性。

（2）基站式讀寫器。基站式讀寫器一般采用外接電源，以固定方式安裝于特定的位置。如圖8所示為基站式讀寫器i-ReaderRR-508， 基站式讀寫器主要和安裝于集裝箱上的電子標簽進行通訊，自動采集集裝箱信息，并將其傳輸至數據處理中心。基站式讀寫器i-ReaderRR-508具有長距離、雙向通訊功能，其數據讀取的能力較強，范圍較大。

圖8 基站式讀寫器

（3）手持式讀寫器。手持式讀寫器i-ReaderRR-80x是一種基于CF/SD接口的長距離PDA讀寫器，具有體積小和電腦一體化等優勢，使用起來比較靈活，海關關員可以隨身攜帶，利用無線手持式讀寫器完成信息采集后，通過無線局域網能夠將信息傳輸至數據處理中心。

圖9 RFID手持式閱讀器

4.4 系統軟件平臺設計

完成硬件設備的配套后，需要對系統的軟件體系架構進行設計，以Web應用層軟件體系結構為例，Web應用層從下至上包括操作系統、數據庫、Web容器、網絡應用服務器和客戶端。通過操作系統驅動硬件設備，并對各用戶的任務進行管理。在選擇數據庫時，為了便于數據的存儲和訪問，選用Oracle大型商業型數據庫。

Web容器中，采用經典的MVC 模式和系統的數據庫訪問層、業務層以及表示層相對應。系統在進行數據訪問時以Hibemate作為中間件，通過封裝的JDBC和數據庫之間進行交互。表示層、業務層以及數據庫訪問層之間主要通過數據庫傳輸對象來實現信息交互。Web應用層軟件體系結構如圖10所示。作為Web容器的承載媒介，網絡應用服務器主要對Web層不同模塊進行解析，并向用戶進行靜態展示，另外，網絡應用服務器還用于控制客戶端用戶的訪問，通過控制訪問用戶的數量，來保持統一資源在被多個用戶訪問時的穩定性，該系統采用JBoss網絡應用服務器，在最上層的客戶端，外界用戶可以通過各類瀏覽器實現對部分內容的直接訪問。同時，服務端程序和客戶端維護程序比較簡單。

圖10 Web應用層軟件體系結構

5 基于物聯網的海關集裝箱監管系統實現

5.1 系統主界面實現

基于物聯網的海關集裝箱監管系統主界面包括菜單導航、左側功能菜單以及主操作區等部分。

左側功能菜單主要包括企業申報、申報審批、監管控制等，主要用來對部分可集中的功能進行統一，以方便用戶操作。主操作區主要包括桌面和具體操作頁面兩種形式，點擊不同的菜單，主操作區所顯示的內容不同。其中系統桌面能夠根據用戶權限不同顯示其能夠操作的全部內容，通用的操作都會被顯示在對應的主操作區桌面。

5.2 系統主要功能模塊實現

（1）集裝箱轉場管理模塊實現。“待審批轉場/轉碼頭申請”被顯示在主操作區，系統會根據用戶權限進行判斷，有權限的用戶才被允許查看記錄內容。集裝箱轉場/轉碼頭申請主要包括表頭和表體兩個部分，根據編號規則，系統將會自動生成集裝箱轉場/轉碼頭申請編號，并由手動錄入其他相關信息，“暫存”后系統將會對錄入數據信息的規范性等進行自動檢查，如信息不符合規范，系統發出錯誤提示，經用戶確認后返回信息錄入界面，否則顯示為“已錄入未申報”，點擊“保存”后狀態標識顯示為“申報”，系統對申報數據信息規范性進行檢查后，修改申請執行標識為“已申報未審批”并退出系統。系統集裝箱轉場管理模塊示意圖如圖11所示。

圖11 系統集裝箱轉場管理模塊示意圖

（2）進場信息核對模塊實現。當點擊“進場信息核對”功能，可進入“當日進場情況查詢”界面，能夠對當日集裝箱進場情況以及近一個月內的集裝箱進場情況進行查詢，如圖12所示。除此之外，系統還可為操作人員提供選擇一定查詢條件進行信息過濾的功能。

圖12 集裝箱監管系統進場情況查詢示意圖

（3）拼箱監管模塊實現。拼箱監管模塊主要提供“暫存”、“提交”、“取消”等功能，對于相關數據信息，可選擇“暫存”將其暫時存儲在本地，可隨時調出進行修改；如點擊“提交”，則表示將相關數據信息提交給海關進行審批，這種狀態下，操作人員將不能修改數據信息；點擊“取消”則返回主界面。拼箱監管功能模塊如圖13所示。

圖13 拼箱監管模塊申報單示意圖

（4）空箱監管功能模塊實現。進入到“空箱監管”主操作界面后，將會顯示“未提交空箱申請信息”以及“待處理空箱申請信息”等內容，如想查詢具體記錄，則點擊即可進入到相應的處理界面。空箱監管模塊操作界面如圖14所示。

圖14 空箱監管主操作界面

6 結論

隨著全球都比較落后，信息化程度低和集成程度不足等問題一直困擾著我國海關集裝箱監管業務。通過引入先進的物聯網技術以及無線局域網技術，設貿易的不斷擴大，國際間集裝箱運輸業務發展迅猛，在辦理海關通關業務時，海關查驗工作量大大增加。一直以來，在我國海關通關業務管理中，信息化建設計研究基于物聯網的海關集裝箱監管系統，圍繞RFID技術和無線局域網技術，對海關集裝箱監管系統的硬件配套設施以及軟件網絡體系架構進行分析和調整，希望能夠為我國在集裝箱監管業務方面實現全程的實時跟蹤和監控，全面降低海關集裝箱監管成本，不斷提高我國進出口通關效率提供一定的參考。