淺析物聯(lián)網(wǎng)技術在海關集裝箱監(jiān)管系統(tǒng)中的應用

■川北醫(yī)學院 程 博

隨著全球經(jīng)濟的飛速發(fā)展以及國際貿(mào)易的不斷擴大，集裝箱運輸在國際貨物運輸中發(fā)揮著越來越重要的作用，成為貨物運輸?shù)谋厝话l(fā)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(fā)展成為世界集運中心。然而，在飛速發(fā)展的背后，我國港口在現(xiàn)有體制下，在集裝箱運輸業(yè)務監(jiān)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(fā)展，一些先進的信息技術和網(wǎng)絡技術被不斷應用到港口的集裝箱監(jiān)管業(yè)務中，實現(xiàn)了各部門和各環(huán)節(jié)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(lián)網(wǎng)技術的興起和發(fā)展，大大提高了集裝箱監(jiān)管業(yè)務的效率。

1 基于物聯(lián)網(wǎng)技術的港口集裝箱監(jiān)管業(yè)務現(xiàn)狀

目前，在港口集裝箱運輸監(jiān)管業(yè)務中已引入RFID相關技術，如美國Savi Networks公司為了實現(xiàn)多國集裝箱箱航線的聯(lián)網(wǎng)，加強對集裝箱海運的全程監(jiān)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(fā)，利用智能集裝箱信息管理系統(tǒng)實現(xiàn)了對港口集裝箱的自動識別和跟蹤監(jiān)管。2007年，國家十五部委聯(lián)合頒發(fā)的《白皮書》進一步明確了RFID技術將在集裝箱海運業(yè)務中廣泛采用。上海銳帆更是應用ICollectedTM技術研發(fā)了高性價比的電子標簽系列產(chǎn)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(jiān)管業(yè)務中被部分采用，在今后，隨著高新信息技術不斷發(fā)展和迅速普及，在集裝箱運輸監(jiān)管中也將越來越多地采用先進的信息技術和網(wǎng)絡技術。然而，從當前我國集裝箱監(jiān)管業(yè)務中RFID的應用現(xiàn)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(jiān)管系統(tǒng)，多數(shù)現(xiàn)有系統(tǒng)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(xiàn)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(jiān)管系統(tǒng)中成功應用以RFID為核心的物聯(lián)網(wǎng)技術，對實現(xiàn)集裝箱運輸?shù)木珳驶崟r化和自動化管理具有重要的現(xiàn)實意義。

2 物聯(lián)網(wǎng)相關技術分析

2.1 RFID技術

物聯(lián)網(wǎng)技術中最核心的技術即RFID技術，大規(guī)模集成電路以及微處理器技術的發(fā)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?shù)呐渌椭行囊笊嫌喂淘谶M行補貨時全部使用RFID標簽記錄產(chǎn)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(jié)省超過80億美元的成本。一般來說，RFID系統(tǒng)主要包括閱讀器、天線和標簽三個部分，其系統(tǒng)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(xiàn)信息的讀取和識別。天線則主要負責傳遞射頻信號，根據(jù)需要，閱讀器上可配置兩個或兩個以上天線，根據(jù)系統(tǒng)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(tǒng)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(chǎn)品移至閱讀器的掃描場時，閱讀器上發(fā)出的射頻信號將會對芯片中的電子編碼發(fā)送特定頻率的電子信號。

2.2 無線局域網(wǎng)

在物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)構建中，無線局域網(wǎng)發(fā)揮著非常重要的作用，主要為特定區(qū)域范圍內的多個用戶提供網(wǎng)絡訪問服務。在無線局域網(wǎng)架構（如圖2所示）中，其最核心的部分為網(wǎng)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(wǎng)絡用戶。圖2所示的無線局域網(wǎng)架構中，基本服務組和上層網(wǎng)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(wǎng)絡進行連接。

圖2 無線局域網(wǎng)架構

為了避免無線局域網(wǎng)絡連接時多個信道之間的相互干擾，導致數(shù)據(jù)包丟失，必須采用多用戶信道訪問協(xié)議對信道訪問進行控制，同時，在數(shù)據(jù)鏈路層建立數(shù)據(jù)的確認/重傳機制，根據(jù)數(shù)據(jù)確認/重傳機制，數(shù)據(jù)發(fā)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(xié)議重傳數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)鏈路層確認/重傳幀示意圖如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)鏈路層確認/重傳幀示意圖

3 海關集裝箱運輸監(jiān)管系統(tǒng)分析

3.1 海關集裝箱運輸監(jiān)管業(yè)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(yè)務實施了一系列監(jiān)管程序，并在實際應用中取得了一定的效果，實現(xiàn)了海關監(jiān)管力度的加強。但是一直以來，海關對集裝箱運輸?shù)谋O(jiān)管程序主要分散在海關主頁、電子口岸網(wǎng)以及港口EDI中心，缺乏統(tǒng)一的管理和集成，從而造成海關職能部門對于集裝箱監(jiān)管業(yè)務不能實現(xiàn)統(tǒng)一的管理，實際監(jiān)管業(yè)務中風險和隱患較多，現(xiàn)行港口集裝箱運輸監(jiān)管應用程序亟待進一步完善和整合，以實現(xiàn)原有功能的提升和新功能的開發(fā)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(jiān)管系統(tǒng)總體功能包括：①查詢：海關和企業(yè)能夠方便地進行集裝箱動態(tài)信息查詢；②監(jiān)管：實現(xiàn)海關對港口集裝箱運輸?shù)膰烂鼙O(jiān)管；③控制：系統(tǒng)需要滿足海關對港區(qū)以及堆場集裝箱的有效控制。根據(jù)調研，可確認海關監(jiān)管系統(tǒng)總體功能如圖4所示。

圖4 海關集裝箱監(jiān)管系統(tǒng)總體功能示意圖

3.2 海關集裝箱運輸監(jiān)管系統(tǒng)性能需求分析

根據(jù)對海關集裝箱運輸監(jiān)管業(yè)務的功能分析，結合開發(fā)的實際需要，基于RFID的海關集裝箱監(jiān)管系統(tǒng)所需要滿足的性能需求主要包括：

（1）系統(tǒng)可用性：根據(jù)系統(tǒng)開發(fā)的既定目標，系統(tǒng)運行時應能夠實現(xiàn)所有功能模塊的功能；

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

（3）系統(tǒng)的易操作性：系統(tǒng)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(tǒng)應便于維護：系統(tǒng)運行過程中出現(xiàn)問題，應便于及時維護。

（5）適應性和可擴展性：系統(tǒng)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(tǒng)進行擴展預留接口。在將來業(yè)務量增加時，系統(tǒng)應該具有一定的可擴展性；

（6）系統(tǒng)安全保密性：網(wǎng)絡的不安全性使得系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)傳輸時容易被篡改或者截取。在進行系統(tǒng)設計時，應注意提高安全、可靠的數(shù)據(jù)存儲服務。

除此之外，海關集裝箱運輸監(jiān)管系統(tǒng)還應該具有響應時間短、更新處理速度快、數(shù)據(jù)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(lián)網(wǎng)的海關集裝箱監(jiān)管系統(tǒng)設計

4.1 系統(tǒng)設計思路

海關集裝箱監(jiān)管系統(tǒng)和海關工作人員的日常業(yè)務關系比較密切，因此系統(tǒng)設計好壞對系統(tǒng)的進一步推廣影響較大。首先，在進行系統(tǒng)設計時應遵循集中管理、分類運行、統(tǒng)一平臺以及方便操作的原則?；谖锫?lián)網(wǎng)的海關集裝箱監(jiān)管系統(tǒng)，要求新舊系統(tǒng)均通過監(jiān)管職能部門實現(xiàn)統(tǒng)一歸口管理，遵循統(tǒng)一的規(guī)章制度、賬戶授權、數(shù)據(jù)管理以及程序升級等。對待不同的業(yè)務操作，要在海關平臺上實現(xiàn)分類運行，其他不涉及監(jiān)管業(yè)務的操作，則在電子口岸平臺通過查詢功能實現(xiàn)；其次，根據(jù)軟件研發(fā)過程，基于物聯(lián)網(wǎng)的海關集裝箱監(jiān)管系統(tǒng)也需要嚴格遵循軟件生存周期瀑布模型，系統(tǒng)主要研發(fā)階段包括三個階段：①定義階段；②設計開發(fā)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(wǎng)絡體系結構設計

進行整個系統(tǒng)設計時，網(wǎng)絡體系結構的設計是重要的組成部分，關系到整個系統(tǒng)研發(fā)的成敗?；谖锫?lián)網(wǎng)的海關監(jiān)管系統(tǒng)網(wǎng)絡體系結構如圖6所示。其中包括有線網(wǎng)、無線局域網(wǎng)以及無線傳感網(wǎng)等網(wǎng)絡傳輸系統(tǒng)，系統(tǒng)主要利用RFID技術和無線傳感網(wǎng)作為數(shù)據(jù)采集層，Web 應用層主要包括海關內部無線局域網(wǎng)和傳統(tǒng)的有線網(wǎng)絡。

圖6 基于物聯(lián)網(wǎng)的海關監(jiān)管系統(tǒng)網(wǎng)絡體系結構

系統(tǒng)數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)處理中心。中間層主要負責處理和存儲轉發(fā)數(shù)據(jù)，獲得集裝箱相應信息后，通過海關內部無線局域網(wǎng)將詳細數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)處理中心，由數(shù)據(jù)處理中心對數(shù)據(jù)進行相應的處理。Web應用層主要包括傳統(tǒng)的有線網(wǎng)絡和無線網(wǎng)絡，Web應用層直接和外界互聯(lián)網(wǎng)相連，內部和海關門戶網(wǎng)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(jù)用戶指令調用業(yè)務邏輯模塊，對數(shù)據(jù)進行存儲。

多網(wǎng)融合的網(wǎng)絡傳輸模式，能夠保證數(shù)據(jù)從采集到傳輸、存儲過程中的安全穩(wěn)定，并消除在數(shù)據(jù)傳輸中存在的“盲區(qū)”。RFID系統(tǒng)和無線傳感網(wǎng)技術的綜合應用，能夠實現(xiàn)數(shù)據(jù)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(jiān)控。

4.3 系統(tǒng)硬件平臺設計

基于物聯(lián)網(wǎng)的海關集裝箱監(jiān)管系統(tǒng)所應用到的主要硬件設施包括：RFID系統(tǒng)、基站式讀寫器、手持式無線讀寫器。

（1）RFID系統(tǒng)。RFID系統(tǒng)主要用于集裝箱監(jiān)管系統(tǒng)中的底層數(shù)據(jù)采集。考慮到數(shù)據(jù)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(tǒng)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(jiān)管系統(tǒng)的實用性。

圖7 RFID系統(tǒng)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(xiàn)對集裝箱運輸信息的實時跟蹤，減少監(jiān)管過程中錯箱、漏箱等情況的出現(xiàn)，提高集裝箱運輸和監(jiān)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(shù)據(jù)處理中心?；臼阶x寫器i-ReaderRR-508具有長距離、雙向通訊功能，其數(shù)據(jù)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(yōu)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(wǎng)能夠將信息傳輸至數(shù)據(jù)處理中心。

圖9 RFID手持式閱讀器

4.4 系統(tǒng)軟件平臺設計

完成硬件設備的配套后，需要對系統(tǒng)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(tǒng)、數(shù)據(jù)庫、Web容器、網(wǎng)絡應用服務器和客戶端。通過操作系統(tǒng)驅動硬件設備，并對各用戶的任務進行管理。在選擇數(shù)據(jù)庫時，為了便于數(shù)據(jù)的存儲和訪問，選用Oracle大型商業(yè)型數(shù)據(jù)庫。

Web容器中，采用經(jīng)典的MVC 模式和系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫訪問層、業(yè)務層以及表示層相對應。系統(tǒng)在進行數(shù)據(jù)訪問時以Hibemate作為中間件，通過封裝的JDBC和數(shù)據(jù)庫之間進行交互。表示層、業(yè)務層以及數(shù)據(jù)庫訪問層之間主要通過數(shù)據(jù)庫傳輸對象來實現(xiàn)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(wǎng)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(tài)展示，另外，網(wǎng)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(shù)量，來保持統(tǒng)一資源在被多個用戶訪問時的穩(wěn)定性，該系統(tǒng)采用JBoss網(wǎng)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(xiàn)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(lián)網(wǎng)的海關集裝箱監(jiān)管系統(tǒng)實現(xiàn)

5.1 系統(tǒng)主界面實現(xiàn)

基于物聯(lián)網(wǎng)的海關集裝箱監(jiān)管系統(tǒng)主界面包括菜單導航、左側功能菜單以及主操作區(qū)等部分。

左側功能菜單主要包括企業(yè)申報、申報審批、監(jiān)管控制等，主要用來對部分可集中的功能進行統(tǒng)一，以方便用戶操作。主操作區(qū)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(qū)所顯示的內容不同。其中系統(tǒng)桌面能夠根據(jù)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(qū)桌面。

5.2 系統(tǒng)主要功能模塊實現(xiàn)

（1）集裝箱轉場管理模塊實現(xiàn)?！按龑徟D場/轉碼頭申請”被顯示在主操作區(qū)，系統(tǒng)會根據(jù)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(jù)編號規(guī)則，系統(tǒng)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(tǒng)將會對錄入數(shù)據(jù)信息的規(guī)范性等進行自動檢查，如信息不符合規(guī)范，系統(tǒng)發(fā)出錯誤提示，經(jīng)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(tài)標識顯示為“申報”，系統(tǒng)對申報數(shù)據(jù)信息規(guī)范性進行檢查后，修改申請執(zhí)行標識為“已申報未審批”并退出系統(tǒng)。系統(tǒng)集裝箱轉場管理模塊示意圖如圖11所示。

圖11 系統(tǒng)集裝箱轉場管理模塊示意圖

（2）進場信息核對模塊實現(xiàn)。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(tǒng)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(jiān)管系統(tǒng)進場情況查詢示意圖

（3）拼箱監(jiān)管模塊實現(xiàn)。拼箱監(jiān)管模塊主要提供“暫存”、“提交”、“取消”等功能，對于相關數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)信息提交給海關進行審批，這種狀態(tài)下，操作人員將不能修改數(shù)據(jù)信息；點擊“取消”則返回主界面。拼箱監(jiān)管功能模塊如圖13所示。

圖13 拼箱監(jiān)管模塊申報單示意圖

（4）空箱監(jiān)管功能模塊實現(xiàn)。進入到“空箱監(jiān)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(jiān)管模塊操作界面如圖14所示。

圖14 空箱監(jiān)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(jiān)管業(yè)務。通過引入先進的物聯(lián)網(wǎng)技術以及無線局域網(wǎng)技術，設貿(mào)易的不斷擴大，國際間集裝箱運輸業(yè)務發(fā)展迅猛，在辦理海關通關業(yè)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(yè)務管理中，信息化建設計研究基于物聯(lián)網(wǎng)的海關集裝箱監(jiān)管系統(tǒng)，圍繞RFID技術和無線局域網(wǎng)技術，對海關集裝箱監(jiān)管系統(tǒng)的硬件配套設施以及軟件網(wǎng)絡體系架構進行分析和調整，希望能夠為我國在集裝箱監(jiān)管業(yè)務方面實現(xiàn)全程的實時跟蹤和監(jiān)控，全面降低海關集裝箱監(jiān)管成本，不斷提高我國進出口通關效率提供一定的參考。