数字孪生技术在保税监管场所的应用研究-中国口岸科学技术-2024年10期

数字孪生技术在保税监管场所的应用研究

作者：杜文彭熙童李峰

杜文彭熙童李峰

杜文¹ 彭熙童² 李峰^{3 *}

摘要 本文探讨了数字孪生技术在保税监管场所中的创新应用，旨在通过构建智慧化、高效化的监管体系，以提升保税监管的精准度与效率。研究基于保税监管场所的实际需求，设计了数字孪生保税监管场所系统总体架构设计，并深入分析了数字孪生技术在保税监管场所的业务应用。研究结果表明，数字孪生技术的应用为保税监管场所的高效、精准监管提供了有力的技术支持，对推动保税监管场所建设的智能化转型具有重要意义。

关键词 数字孪生；智慧海关；海关监管；保税监管场所

Application and Research of Digital Twin Technology in Bonded Supervision Areas

DU Wen¹ PENG Xi-Tong² LI Feng^3*

Abstract This paper delves into the innovative application of digital twin technology in bonded supervision areas, aiming to enhance the precision and efficiency of bonded supervision through the development of an intelligent and efficient regulatory system. Based on the actual needs of bonded supervision areas, the research designs the system architecture for a digital twin-based bonded supervision areas and conducts an in-depth analysis of the business application of digital twin technology in bonded supervision areas. The research findings indicate that the application of digital twin technology provides powerful technical support for efficient and precise supervision, significantly contributing to the intelligent transformation of bonded supervision area construction.

Keywords digital twin; smart customs; customs supervision; bonded supervision areas

在全球经济一体化加速发展的背景下，我国保税物流迎来了前所未有的发展机遇，同时也面临着提升保税物流监管智能化水平的迫切需求。为积极应对这一挑战，本文深入探讨了数字孪生技术在保税监管场所的应用实践，以建立数字孪生保税监管场所，赋能海关特殊监管区域和保税监管场所的数字化与智慧化转型升级，实现物理世界与数字世界的精准映射与高效协同。围绕鄂州空港保税物流中心的业务需求，通过应用数字孪生技术，为保税监管场所的智能化改造提供新的路径和方法，提升保税监管的工作效率与管理水平，为推进智慧海关建设提供有力的理论支持和实践参考。

1 数字孪生技术概述

数字孪生（Digital Twin）是以数字化方式创建物理实体的虚拟模型，借助数据模拟物理实体在现实环境中的行为，通过虚实交互反馈、数据融合分析、决策迭代优化等手段，为物理实体增加或扩展新的能力[1]。

近年来，随着科技的飞速发展，数字孪生技术作为一种快速发展的新兴技术，吸引了全球范围内的广泛关注与研究。在数字化建模的精细度、数据采集的实时性、数据的高效传输与处理、数据驱动与模型融合控制、系统安全性保障等多个维度上，都取得了显著的研究进展^[2]。这些研究成果不仅推动了数字孪生技术自身的成熟与完善，也为其在各行各业的应用奠定了坚实的理论与技术基础。数字孪生模型以其高度的还原性和强大的仿真能力，在供应链管理^[3]、产品研发^[4]、智能制造^[5]、智慧城市^[6]、医疗健康^[7]、航空航天^[8]、智慧物流^[9]等多个领域得到广泛应用。

2 数字孪生技术赋能保税监管场所数字化转型

我国保税物流目前主要依托海关特殊监管区域（包括保税区、保税物流园区、出口加工区、综合保税区、跨境工业区、保税港区等）和保税监管场所（包括保税仓库、出口监管仓库、保税物流中心（分为A型和B型）等）两大类载体及形式实现^[10]，其管理水平与效能直接影响着贸易的便利性与高效性。为进一步提升监管效能，推动管理模式的创新和升级，数字孪生技术成为了保税监管场所数字化转型的重要驱动力。

数字孪生技术具有强大的数据采集、处理与分析能力，为保税监管场所的智能化升级奠定了坚实的基础。该技术通过构建监管区域的全方位感知网络，可以实现智能监控，显著提升监管效能；还能通过优化资源配置与降低人力物力消耗，有效削减运营成本；同时，该技术的融入加固了安全保障体系，为保税物流的稳定运行筑起坚固防线，最大化地服务于企业并惠及民众^[11]。

鄂州空港保税物流中心（B型）作为保税监管场所，位于鄂州花湖国际机场北部，仓储面积约3.9万平方米，包括保税监管仓库、保税查验中心、卡口、海关围网等。鄂州空港保税物流中心（B型）智慧口岸综合管理平台，创新性地引入了数字孪生技术，成功构建了保税监管场所的高精度数字化镜像，实现了从平面到立体的全景可视化监控，使管理者能够及时洞悉业务动态。该平台整合了物理感知、业务运营及模型仿真等多源数据，确保数据的实时采集、处理与分析，打破数据壁垒，促进数据的流通与共享。借助仿真预测能力，平台能够提前识别潜在问题，提前优化资源配置，缩短了应急响应周期。结合AI智能算法，还可以实现智能决策和预警，全面提升了监管的实时性、精准度和整体效能。

3 数字孪生保税监管场所的系统总体架构设计

本系统总体架构深度融合数字孪生技术，构建一个高度集成、动态更新的数字孪生保税监管场所系统架构，以实现对保税监管场所的实时、精准、智能化管理。系统设计紧密围绕海关监管的实际需求，结合业务与技术的要求，参考由物理实体、虚拟模型、服务、孪生数据和连接组成的数字孪生“五维模型”通用架构^[12]，通过五层架构设计确保系统能够高效支持数字孪生模型的构建、运行及数据更新，提升监管效率与决策科学性。系统总体架构设计分别为物理感知层、虚拟建模层、孪生数据层、服务支撑层、业务应用层，如图1所示。

3.1 物理感知层

作为构建数字孪生模型的基础数据来源，物理感知层通过部署智能传感器、射频识别（Radio Frequency Identification，RFID）标签、摄像头等物联网设备，实时采集保税监管场所内的物流、环境、安全等多维度数据，实现对运输工具、人员、货物、环境等物理对象的实时监测和数据感知，为后续的数字孪生建模和智能分析提供坚实的数据支撑。

3.2 虚拟建模层

基于物理感知层采集的丰富数据，虚拟建模层采用高性能三维渲染核心，高精度地还原保税监管场所的物理环境、设备设施、业务流程等，形成虚拟的数字模型。该模型精准映射了物理场所的建筑、设备、货物等空间布局，支持全方位互动式观看真实场景的还原展示；还通过纹理映射技术和仿真引擎，模拟了真实场景的业务运行规律，如车辆区内流转、货物处理等，实现对保税监管场所的全面可视化与动态模拟。

3.3 孪生数据层

作为智慧监管的核心，孪生数据层负责整合、处理来自物理感知层和虚拟建模层的数据，通过数据清洗、整合、分析等手段，形成统一的数字孪生数据库。该数据库存储了保税监管场所的实时状态信息，同时涵盖了保税监管场所业务的量化指标数据，包括贸易运行、场所运作、通关便利、货物处理、管控效能、环境设施等多个方面。这些指标数据为上层应用提供了丰富的决策依据，支持了智慧监管的精准性和高效性。

3.4 服务支撑层

服务支撑层包括大数据处理服务、AI算法服务、可视化交互服务、数据接入服务等基础服务和工具，确保业务应用的智能决策与控制能力。通过高效的数据处理和分析能力，以及丰富的可视化工具，确保了业务应用层的流畅运行和智能交互体验，为上层应用提供强大的技术支持和服务保障。

3.5 业务应用层

业务应用层直接面向海关监管人员及相关部门，紧密围绕保税监管场所的业务需求，提供一系列智慧化的业务应用和功能，实现了对数字孪生模型的深度应用。具体应用包括三维实景的展示类应用、监管监控应用、作业智能告警等三类主要应用。这些应用不仅提升了监管效率，还通过直观的可视化展示和智能交互体验，帮助监管部门实现精准监管和科学决策。

4 数字孪生业务应用研究

4.1 展示类应用

4.1.1 全景展示

三维实景的全景展示应用，采用先进的几何建模和纹理映射技术，通过高级动态光照、辉光光影效果、材质贴图、环境动效等方式，精细地还原保税监管场所真实场景的纹理细节，呈现出更真实细腻的质感；通过高效的渲染算法与图形处理技术，实现保税监管场所三维虚拟模型的流畅渲染和实时交互；通过虚拟和现实结合的人机交互，实现对区内的数据管理和三维可视化展示。

在三维实景全景展示中，可以完整呈现保税监管场所的全貌，如三维的卡口、保税查验中心、保税监管仓库、货站、指定监管场地等关键建筑及其建筑名称、面积等信息（图2），能够进行全方位互动式观看真实场景的还原展示。在应用中，用户可以通过鼠标控制环视的方向，实现360度的视角自由浏览，从而使监管人员能够从不同角度和距离了解监管场所的布局，体验三维的虚拟现实（Virtual Reality，VR）视觉效果。

三维实景全景展示应用，颠覆了传统信息化建设中的二维图表或静态图片展示方式，能够实现保税监管场所的可视化管理和智能化管控，三维建模与渲染可视化展示技术，将场所场景、设备、数据更生动、直观地予以展示，有助于监管人员更好地了解场所布局和运行情况，提升用户体验，帮助提高场所的监管效率和管理水平。

4.1.2 数据可视化展示

三维实景的数据可视化展示应用，以加强海关监管业务数据的整合和智能分析为目标，结合实际业务需求，构建了数字孪生保税监管场所的指标体系，对海关监管业务的实时数据和历史数据进行处理和分析，在三维实景中实时还原并展示数据的统计分析结果和趋势情况，为监管人员提供决策支持。

根据保税监管场所的业务特性和要求，将指标体系划分为贸易运行、场所运作、通关便利、货物处理、管控效能、异常告警等6个方面，并梳理出143项关键业务指标，为评估监管效果、优化监管流程提供了量化依据（图3）。

数字孪生保税监管场所的指标体系及其关键业务指标内容如下：

（1）贸易运行指标：包括企业数量、进出口贸易额、税收收入等，反映保税监管区域的贸易发展规模和效益情况。

（2）场所运作指标：包括仓储面积使用率、设备设施在线率、监控设备区域分布统计、进出卡口物流统计等，保障保税监管场所的正常运行，确保货物安全及符合海关监管要求。

（3）通关便利指标：包括通关时效统计（通关时效压缩率、通关时效节约率）、查验时效统计（查验时效压缩率、查验时效节约率）、指定商品（进境冰鲜水产品、食用水生动物、肉类及水果等）监管量等，反映保税监管场所的通关便利化水平。

（4）货物处理指标：包括货站吞吐量、货物处理类型统计、货物存储时长统计、货物存储分类统计等，反映保税仓储物流的货物处理能力。

（5）管控效能指标：包括报关单布控统计、报关单查验统计、报关单查获统计、查获增长统计、检验检疫统计等，反映海关监管对通关的影响与效能，监测货物通关查验的时间和质量，提升查验效率和准确性，降低企业成本和等待时间。

（6）异常告警指标：包括业务超时告警、账册异常告警、设备异常告警、环境监测告警、围网异常告警等，提升异常识别及时性，及时发现潜在风险并采取应对措施，加强安全防范能力。

三维实景的数据可视化展示应用，将关键业务指标通过三维实景交互的方式进行直观展示，为保税监管场所业务提供了有力的数据支持，有助于实现保税监管场所的全面监控和管理，提高海关监管的效率和准确性。

4.2 监管监控应用

4.2.1 视频虚实融合

三维实景的视频虚实融合应用，是利用三维实景技术和视频融合技术，将保税监管场所的实际监控视频与虚拟三维场景相结合，实现虚实融合的效果，能够在虚拟场景中直观地查看监控视频。

在保税监管场所的关键区域设置高清摄像头，并将摄像头采集的视频流实时传输到系统中，系统通过视频融合技术，将视频画面嵌入到三维场景的对应位置，实现视频监控与三维实景模型的联动。同时，针对监管区内的视频监控录像，能够实现基于三维实景融合的历史事件录像回放，协助解决历史事件还原回溯研判的问题。监管人员可以快速定位到场所的关键位置，点击三维实景中的摄像头，就可以调取查看该区域的摄像头，实时查看货物、场所的监控视频，了解实时情况（图4）。

相比传统视频监控的单一监控视频展示方式，三维实景的视频虚实融合应用将实际监控视频与虚拟场景融合展示，使监管人员获得更加全面的信息，提高了监管的直观性和便捷性，提升了管理效率。

4.2.2 多源实时管控

三维实景的多源实时管控应用，利用三维实景技术和多源数据融合技术，将物联网数据、视频流数据、业务系统数据等不同来源的监管数据进行集成和展示，通过对多源数据的综合分析和处理，实现对保税监管场所的全面实时管控。

在保税监管场所内，部署多种智能设备和传感器，采集环境、场所、人车货等多方面的数据，通过孪生数据接入服务进行统一的处理和分析，并在三维实景模型中实时展示处理的结果，使监管人员能够直接看到关键区域和设备的实时状态。如图5所示，在保税监管场所的卡口区域，通过三维可视化展示，同时对接业务系统数据和物联网数据，能够直接展示进出卡口的物流车辆的车牌、车重、通关状态等信息。

三维实景的多源实时管控应用，不同于单一的数据监管方式，通过多源数据的融合，将各系统功能进行集成，提升了系统信息化和整体化应用，让监管人员可以同时了解场所的多方面情况，及时发现潜在问题，帮助监管人员提升业务洞察能力和决策能力，为保税监管场所提供了更全面、实时、智能化的监管手段。

4.2.3 保税监管业务模拟与还原

三维实景的保税监管业务模拟与还原应用，利用三维实景和业务流程建模技术，将数据资源和业务流程整合，在三维实景虚拟环境中对保税监管场所的业务流程进行模拟和还原，通过虚实结合的方式模拟不同场景下的业务流程和操作步骤，帮助监管人员更直观地理解业务逻辑和操作流程的同时，也能够实时掌握实际业务动态。三维实景保税监管业务模拟与还原应用，分为业务模拟应用与业务还原应用。

业务模拟应用涉及的保税业务有进口保税业务、出口保税业务、一般贸易进出口等，构建的业务流程虚拟场景包括飞机到达国际货站、货物装卸、货物出库、集装箱货车转运、集装箱货车进出卡口等环节，通过模拟不同保税业务的不同过程，展示不同业务的各个环节的关联关系和操作流程（图6）。

业务还原应用是实时数据基于业务模拟应用，通过集成智能高清摄像头、业务系统、物联网传感器等多源实时数据，在三维实景保税监管场所内，还原其实时的业务，包括集装箱货车通关状态、车辆行驶轨迹、人员位置、货物状态等信息，帮助监管人员直观地在三维实景中看到现实场景的变化，了解实际业务的最新状态，并及时进行调度决策或调整（图7）。

相比文字描述、二维图表展示的方式，三维实景的保税监管业务模拟与还原应用，提供了更直观、生动的展示效果，为保税业务提供了新的监管方式和手段，让监管人员能够加深对保税监管业务的理解和掌握，还能够在三维实景环境中实时查看业务动态，帮助提高保税监管的实时性，提升问题响应速度，助力提升整体监管效率。

4.3 作业智能告警

三维实景的作业智能告警应用，集成三维实景模型、物联网传感器、大数据分析以及AI智能算法，实现了对保税监管场所的业务、设备以及围网安全的全方位、实时、智能监控和告警。三维实景作业智能告警是数字孪生保税监管场所的重要组成部分，包含了业务告警、设备告警和围网告警等多个方面。

4.3.1 业务告警

对接相关业务系统数据，利用大数据分析技术，对保税监管场所的业务进行监控，如账册预警、查验超时预警、转关单超期预警、舱单超期预警等，一旦发现异常情况，系统会立即触发告警，并通知相关人员进行处理。

4.3.2 设备告警

主要针对保税监管场所内的环境传感器、监控摄像头等各类设备进行实时监测预警，一旦发现设备故障或异常状态（如设备离线、故障报警等），系统会立即发出告警，以便及时维修或更换设备。

4.3.3 围网告警

利用AI视觉算法和智能图像识别技术，对保税监管场所的围网区域进行实时监测，当触发监控报警时，系统即刻发出警报声，同时弹出报警信息画面，让监控室的管理人员能够及时发现警情并进行处理（图8）。

相比传统的人工巡检、事后处理的方式，三维实景的作业智能告警应用，通过三维实景展示实现了告警的直观展示，让监管人员能够在三维实景中快速定位告警事件的发生位置，就近调度资源进行处置，有效缩短事件的响应处理时间；利用物联网、大数据技术保证了数据的实时采集和分析，能够及时地发现告警事件的发生，及时触发告警提示；AI算法的应用融合，实现了告警事件的智能分析和处理，减少了人为干预和错误，显著提高监管人员的应急处理能力。

5 结语

国际贸易环境的日益复杂化和信息技术的高速迭代，引发了保税监管场所智慧化建设的新变革。本文通过鄂州空港保税物流中心（B型）智慧口岸综合管理平台项目的成功实践，不仅验证了数字孪生技术在提升海关监管效能与管理水平方面的巨大潜力，更为后续的智慧海关建设提供了实践经验和理论支撑。随着技术的不断进步，本研究将深化数字孪生模型的数据集成与分析能力，以实现更精准的风险预测与决策支持。同时，计划将这一技术拓展至更多的业务场景，如车辆运行轨迹无感监控、跨境协同监管、自动化流程优化等，以提升整体监管效能与透明度。这些规划不仅将推动保税监管场所向更加智能化、高效化方向发展，也将为保税监管场所的海关监管模式创新提供有力支撑。

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第一作者：杜文（1972—），男，汉族，湖北通城人，硕士，高级工程师，主要从事数据安全工作，E-mail: 250763372@qq.com

通信作者：李峰（1976—），男，汉族，湖北武汉人，本科，主要从事海关通关监管工作，E-mail: diudiulee@163.com

1. 武汉海关武汉 430040

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