機(jī)動車區(qū)間測速系統(tǒng)檢定方法和檢定裝置*

葉峻江　尹錫堅(jiān)　鄭藝成

(廣東省計(jì)量科學(xué)研究院東莞計(jì)量院，東莞 523000)

0　引言

區(qū)間測速(piont-to-piont speed measurement)是指檢測機(jī)動車通過測速區(qū)間的平均速度的方法。測速區(qū)間是指兩個(gè)相鄰測速監(jiān)控點(diǎn)之間的路段。區(qū)間測速系統(tǒng)通過計(jì)算測速區(qū)間距離與區(qū)間行駛時(shí)間的比值，得到平均速度。

傳統(tǒng)的雷達(dá)測速儀、激光測速儀和地感線圈測速儀等都是固定點(diǎn)的瞬時(shí)速度測量儀器。有以下弊端：1)許多駕駛員發(fā)現(xiàn)路旁測速警車或測速裝置時(shí)，通常采取臨近時(shí)減速通過，然后繼續(xù)超速行駛，使得測速點(diǎn)形同虛設(shè)，路段控速的目的很難實(shí)現(xiàn)；2)當(dāng)超速車輛猛然看到前方測速裝置時(shí)往往會采取突然緊急剎車的方式來逃避抓拍，容易造成車輛追尾事故；3)測速警車一般是停放在交通道路以外的綠化帶等不妨礙正常交通的地方，超速車輛不易發(fā)現(xiàn)但容易留下“隱蔽執(zhí)法”的口實(shí)；4)證眼雷達(dá)等傳統(tǒng)單點(diǎn)測速設(shè)備，其取證抓拍系統(tǒng)的圖像只允許一輛目標(biāo)車輛出現(xiàn)，當(dāng)有一輛以上車輛同時(shí)出現(xiàn)在同一畫面中時(shí)，因?yàn)椴荒芫唧w分辨哪一輛車輛超速而導(dǎo)致證據(jù)無效，不符合GA/T832-2009《道路交通安全違法行為圖像取證技術(shù)規(guī)范》的取證要求。機(jī)動車區(qū)間測速系統(tǒng)可以解決上述問題，能有效監(jiān)控車輛在道路上的行駛速度，保證道路通行的安全。機(jī)動車區(qū)間測速系統(tǒng)屬于測速儀的一種，需執(zhí)行強(qiáng)制檢定。

目前我國還沒有《機(jī)動車區(qū)間測速系統(tǒng)》的檢定規(guī)程，對區(qū)間測速系統(tǒng)檢定方法的研究不多，區(qū)間測速系統(tǒng)的檢定依據(jù)和檢定方法還存在空白。交警使用沒有檢定的區(qū)間測速系統(tǒng)進(jìn)行執(zhí)法不符合取證程序的要求。

1　區(qū)間測速系統(tǒng)的檢定依據(jù)探討

2011年8月22日，中華人民共和國公安部發(fā)布了GA/T959-2011《機(jī)動車區(qū)間測速技術(shù)規(guī)范》[1]，并于2011年10月1日起實(shí)施。規(guī)范中與計(jì)量有關(guān)的要求是平均速度計(jì)算。規(guī)范要求區(qū)間距離不能有正誤差，24h內(nèi)計(jì)時(shí)誤差不得超過1.0s，平均速度誤差應(yīng)符合GB/T 21255—2007《機(jī)動車測速儀》[2]的要求。我們通過與規(guī)程JJG 527—2007《機(jī)動車超速自動監(jiān)測系統(tǒng)》[3]的比較，兩者對測速誤差的計(jì)量特性要求一致。

為解決現(xiàn)實(shí)中區(qū)間測速系統(tǒng)的檢定需求，在滿足準(zhǔn)確度、一致性、溯源性、法制性的前提下，考慮是否可以執(zhí)行現(xiàn)行相關(guān)規(guī)程。根據(jù)規(guī)程JJG 527—2007中的術(shù)語，機(jī)動車超速自動監(jiān)測系統(tǒng)指固定安裝于道路上，對監(jiān)測車道內(nèi)機(jī)動車行駛速度進(jìn)行實(shí)時(shí)、自動測量，同時(shí)拍攝超出該車道限速范圍行駛的機(jī)動車圖像，自動記錄該車道內(nèi)機(jī)動車行駛時(shí)的速度值、日期、時(shí)間、地點(diǎn)等相關(guān)信息的監(jiān)測系統(tǒng)。按術(shù)語的描述，區(qū)間測速系統(tǒng)可認(rèn)為是機(jī)動車超速自動監(jiān)測系統(tǒng)的一類。JJG 527—2007中應(yīng)用地感線圈測速原理的測速系統(tǒng)測得的速度值為短距離內(nèi)的平均速度，區(qū)間測速系統(tǒng)測得的是兩個(gè)相鄰測速監(jiān)控點(diǎn)之間長距離的平均速度?？梢哉J(rèn)為區(qū)間測速系統(tǒng)是機(jī)動車超速自動監(jiān)測系統(tǒng)的廣義延伸。在專門的規(guī)程出臺前可以考慮執(zhí)行該規(guī)程。區(qū)間測速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和原理與固定點(diǎn)的地感式測速系統(tǒng)不同，原有的檢定裝置和檢定方法不能直接用于區(qū)間測速系統(tǒng)的檢定。要探討區(qū)間測速系統(tǒng)的檢定方法，先簡略介紹區(qū)間測速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和工作原理。

2　區(qū)間測速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和工作原理

一套區(qū)間測速設(shè)備結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由前端單元、通訊傳輸和后臺處理系統(tǒng)三部分組成。在相距一定距離的封閉路段的兩個(gè)端點(diǎn)上分別安裝一套前端檢測抓拍設(shè)備，當(dāng)機(jī)動車通過檢測點(diǎn)時(shí)，安裝在該點(diǎn)的前端檢測抓拍系統(tǒng)自動記錄通過該點(diǎn)的時(shí)間，并進(jìn)行圖片抓拍。當(dāng)車輛完全離開封閉路段時(shí)，系統(tǒng)通過網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)控中心，監(jiān)控中心根據(jù)捕獲的信息自動計(jì)算其在封閉路段上的平均行駛速度，如果平均速度超限，系統(tǒng)將采用特定的加密技術(shù)在違章圖片中嵌入相應(yīng)的時(shí)間、地點(diǎn)、速度及限速值，并及時(shí)將該車輛的違章信息通過數(shù)據(jù)交換發(fā)送到支隊(duì)的違法系統(tǒng)，作為交警執(zhí)法的依據(jù)。

圖1　區(qū)間測速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3　檢定方法的探討

JJG 527—2007中檢定現(xiàn)場測速誤差使用的檢定裝置為標(biāo)準(zhǔn)速度儀。試驗(yàn)車勻速通過監(jiān)測區(qū)域，標(biāo)準(zhǔn)速度儀測量并顯示記錄試驗(yàn)車通過監(jiān)測區(qū)域時(shí)的實(shí)際速度值，與此同時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)對試驗(yàn)車進(jìn)行速度測量并拍照，輸出的圖片上顯示抓拍的速度值。

檢定裝置給出的標(biāo)準(zhǔn)速度是瞬時(shí)速度，被檢系統(tǒng)的速度示值是兩地感線圈間的平均速度。地感線圈式測速系統(tǒng)兩地感線圈距離很短(一般為3～15m)，試驗(yàn)車在線圈間距內(nèi)接近勻速運(yùn)動，瞬時(shí)速度基本等于平均速度。但區(qū)間測速系統(tǒng)設(shè)計(jì)的距離通常達(dá)到數(shù)公里的級別，在區(qū)間內(nèi)不可能保持試驗(yàn)車勻速行駛，檢定區(qū)間測速系統(tǒng)時(shí)不能照搬JJG 527—2007的方法和檢定裝置。

目前國內(nèi)還沒有區(qū)間測速系統(tǒng)的檢定裝置。部分計(jì)量機(jī)構(gòu)根據(jù)速度定義提出一些方法來解決區(qū)間測速系統(tǒng)的檢定或校準(zhǔn)。其中有代表性的方法是在試驗(yàn)車進(jìn)入、駛出區(qū)間終端時(shí)手動啟動和終止光柵式非接觸速度測試儀[4]，記錄距離和行駛時(shí)間，得到平均速度值作為標(biāo)準(zhǔn)值。文獻(xiàn)[5]利用經(jīng)過檢定合格的光柵式非接觸測試儀現(xiàn)場實(shí)際路跑測速校準(zhǔn)的方法和該方法類似。筆者使用該方法對我市環(huán)城路一個(gè)約4km的區(qū)間測速系統(tǒng)進(jìn)行了12次重復(fù)性試驗(yàn)，得到的速度重復(fù)性超過3％，表明該方法給出的量值可靠性不高。通過分析，主要原因是檢定人員操作的不確定性：1)在試驗(yàn)車進(jìn)入、駛出區(qū)間端口時(shí)檢定員人工操作檢定裝置的反應(yīng)時(shí)間；2)檢定員目測進(jìn)入和駛出區(qū)間終端的操作時(shí)刻和被檢區(qū)間測速系統(tǒng)實(shí)際的觸發(fā)拍照時(shí)刻不一致。

文獻(xiàn)[6]認(rèn)為，平均速度的定義是(v=l/t)，只要分別檢定各終端的距離誤差和時(shí)間誤差，兩個(gè)量值都準(zhǔn)確即可。對時(shí)間進(jìn)行計(jì)量，先對中央服務(wù)器和每個(gè)終端，監(jiān)測其與北京時(shí)間差值，要求不大于0.1s，再檢測中央服務(wù)器和每個(gè)監(jiān)測終端分別在4分鐘、1小時(shí)內(nèi)計(jì)時(shí)誤差，要求相對誤差不大于1×10-3。將被檢終端的時(shí)間調(diào)整至與北京時(shí)間誤差較大后，觀察其與北京時(shí)間自動同步的功能和周期。通過卷尺或激光測距儀直接測量測速區(qū)間的距離或引用有關(guān)部門的數(shù)據(jù)得到區(qū)間的距離數(shù)據(jù)。

該方法存在一些局限。由于大部分系統(tǒng)并不單獨(dú)給出時(shí)間輸出接口，無法直接監(jiān)測其與北京時(shí)間的差值。區(qū)間測速系統(tǒng)的軟件通過調(diào)用計(jì)算機(jī)時(shí)鐘獲得時(shí)間值，時(shí)間信息在最終的抓拍圖片或數(shù)據(jù)庫中輸出，分辨力一般不超過0.1s，導(dǎo)致檢定4分鐘和1小時(shí)計(jì)時(shí)誤差受分辨力影響嚴(yán)重。該方法未考慮各終端觸發(fā)到抓拍之間的延時(shí)不一致引起的誤差。

遇到較大網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的區(qū)間測速系統(tǒng)時(shí)，如全省性以收費(fèi)站為終端的高速交通網(wǎng)絡(luò)，用卷尺或激光測距儀直接測量區(qū)間距離的工作量很大，其作業(yè)安全性難以保證。這時(shí)考慮引用有關(guān)部門的數(shù)據(jù)，可獲得的數(shù)據(jù)通常來源于交警部門或公路管理部門。該數(shù)據(jù)一般沒有給出最大允許誤差或不確定度，不具備溯源性。此外，該數(shù)據(jù)通常是曲線擬合后適合繪制平面地圖的水平曲線距離數(shù)據(jù)，與實(shí)際路面的起伏有差異。該方法不使用試驗(yàn)車進(jìn)行現(xiàn)場測試，每個(gè)終端能否正常觸發(fā)并抓拍車輛得不到檢查。

綜上所述，正在探討的方法分為兩類：1)人工使用測速儀獲得平均速度標(biāo)準(zhǔn)值對區(qū)間測速系統(tǒng)進(jìn)行測速誤差檢定；2)不進(jìn)行現(xiàn)場測速誤差檢定，只分別檢定系統(tǒng)的距離和時(shí)間是否準(zhǔn)確。第一類方法的重復(fù)性不理想，第二類方法有局限。

4　檢定裝置的研制

4.1　檢定裝置的技術(shù)要求

根據(jù)上文探討，關(guān)鍵是測得通過區(qū)間終端之間的準(zhǔn)確距離和時(shí)間。同時(shí)避免操作人員的觀測誤差，保證有不間斷的傳遞鏈進(jìn)行量值傳遞，要求檢定裝置滿足以下要求：

1)能顯示通過區(qū)間的距離，該距離標(biāo)準(zhǔn)值可以被區(qū)間測速系統(tǒng)同步抓拍；

2)能顯示通過區(qū)間的時(shí)間，該時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)值可以被區(qū)間測速系統(tǒng)同步抓拍；

3)距離和時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)值可以被終端抓拍后通過圖片獲得，避免人工記錄；

4)進(jìn)入和駛出抓拍點(diǎn)時(shí)不需人工進(jìn)行觸發(fā)標(biāo)準(zhǔn)裝置；

5)距離標(biāo)準(zhǔn)值是車輛行駛的歷史距離，該距離的起點(diǎn)和終點(diǎn)與抓拍位置一致；

6)該裝置給出的速度值的合成不確定度滿足檢定要求；

7)該裝置給出的量值可以溯源；

8)設(shè)備滿足在道路中行駛的安全要求；

9)在白天高照度的戶外檢定環(huán)境中有足夠的對比度，使數(shù)據(jù)能在抓拍圖片中清晰顯示。

4.2　檢定裝置的結(jié)構(gòu)與原理

我院研制的區(qū)間測速系統(tǒng)檢定裝置可滿足以上要求。裝置由距離測量單元和時(shí)間顯示單元兩部分構(gòu)成，距離和時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)值通過安裝于試驗(yàn)車頂?shù)娘@示牌顯示。為適應(yīng)白天高照度的檢定環(huán)境，顯示牌使用聚光型高亮度LED管提供足夠的亮度和對比度。距離測量單元由非接觸光電式速度傳感器、脈沖整形電路、脈沖計(jì)數(shù)器、鎖存器、譯碼器、驅(qū)動電路構(gòu)成。時(shí)間顯示單元由恒溫晶體振蕩器、時(shí)鐘芯片、驅(qū)動電路構(gòu)成，見圖2。

圖2　區(qū)間測速檢定裝置原理框圖

距離測量單元原理：非接觸光電式速度傳感器安裝于試驗(yàn)車門上。在進(jìn)入測速區(qū)間前，啟動設(shè)備，車輛以限速值的50％，100％和150％(需要并安全時(shí))通過測速區(qū)間。當(dāng)試驗(yàn)車行駛時(shí)，非接觸光電式速度傳感器每經(jīng)過4mm路面就產(chǎn)生一個(gè)脈沖[7]。脈沖整形電路讀取傳感器的脈沖輸出，整形成TTL電平，整形后的脈沖發(fā)送到脈沖計(jì)數(shù)器進(jìn)行累計(jì)，每累計(jì)250脈沖(車輛行駛1m)后進(jìn)行累加運(yùn)算，并將數(shù)據(jù)進(jìn)行鎖存，經(jīng)譯碼器譯碼后，驅(qū)動七段超高亮度LED牌顯示距離。距離顯示牌記錄并顯示試驗(yàn)車行駛的歷史距離，距離的分辨力為1m。

時(shí)間顯示單元原理：恒溫晶體振蕩器產(chǎn)生穩(wěn)定的基準(zhǔn)頻率提供給時(shí)鐘芯片計(jì)時(shí)，經(jīng)譯碼后驅(qū)動超高亮度LED顯示牌顯示時(shí)間。按理論分析，時(shí)間顯示的分辨力越高，其分辨力帶來的誤差越小，高分辨力的時(shí)間顯示需較快的刷新頻率。實(shí)際上，受被檢區(qū)間測速系統(tǒng)的照相機(jī)快門時(shí)間限制(一般為0.01～0.001s)，當(dāng)顯示牌刷新頻率高于被檢系統(tǒng)的快門時(shí)間時(shí)，被檢系統(tǒng)拍攝的圖像就會重疊模糊。權(quán)衡利弊，時(shí)間分辨力不宜太高，最終時(shí)間顯示單元時(shí)間分辨力設(shè)計(jì)為0.1s。

4.3　檢定裝置安裝及安全防護(hù)

該檢定裝置的顯示牌采用車頂安裝，傳感器采用側(cè)門安裝，見圖3。為預(yù)防高速行駛過程中檢定裝置發(fā)生脫落，其緊固件由兩個(gè)直徑超過10cm的強(qiáng)力吸盤和車頂行李安裝支架兩部分獨(dú)立構(gòu)成，并附帶兩套保險(xiǎn)帶。當(dāng)其中一個(gè)緊固件脫落，另外一個(gè)緊固件可以繼續(xù)支撐檢定裝置。在極端情況下，兩個(gè)緊固件同時(shí)脫落，保險(xiǎn)帶將拉緊檢定裝置，防止檢定裝置脫落造成事故。

圖3　檢定裝置安裝圖

4.4　檢定實(shí)施

檢定時(shí)，開啟檢定裝置電源，試驗(yàn)車進(jìn)入被檢測速系統(tǒng)端口并被抓拍。通過被檢系統(tǒng)的抓拍圖片讀取進(jìn)入?yún)^(qū)間時(shí)的距離標(biāo)準(zhǔn)值L1和時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)值t1；駛出被檢區(qū)間端口時(shí)再次被抓拍，讀取駛出區(qū)間

時(shí)的距離標(biāo)準(zhǔn)值L2和時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)值t2。試驗(yàn)車在區(qū)間內(nèi)的行駛距離ΔL=(L2-L1)，行駛時(shí)間ΔT=(t2-t1)，試驗(yàn)車的平均速度標(biāo)準(zhǔn)值按VS=3.6×(ΔL/Δt)計(jì)算，單位為km/h。

檢定裝置啟動后，不需人工對儀器進(jìn)行再操作，全過程實(shí)現(xiàn)自動化。時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)值和距離標(biāo)準(zhǔn)值來源于圖片中拍到的檢定裝置顯示數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)與被檢區(qū)間測速系統(tǒng)抓拍時(shí)刻一致，沒有延時(shí)的影響。

5　不確定度評定

以我市環(huán)城路上一段約4km，限速80km/h的機(jī)動車區(qū)間測速系統(tǒng)進(jìn)行檢定為例，進(jìn)行測速誤差的不確定度分析。

5.1　測量方法

將檢定裝置安裝于測試車輛，約為80km/h的平均速度通過測速區(qū)間，并被區(qū)間測速系統(tǒng)抓拍，讀取被檢區(qū)間測速系統(tǒng)的速度示值，通過抓拍圖片讀取距離間隔標(biāo)準(zhǔn)值和時(shí)間間隔標(biāo)準(zhǔn)值，計(jì)算出標(biāo)準(zhǔn)速度。重復(fù)10次測量，將每次測速誤差記錄于表1。

表1　區(qū)間測速誤差重復(fù)測量數(shù)據(jù)　(單位 km/h)

5.2　數(shù)學(xué)模型

區(qū)間測速系統(tǒng)的測速誤差

(1)

式中，ΔV為被檢區(qū)間測速系統(tǒng)的測速誤差；Vx為被檢區(qū)間測速系統(tǒng)的測速示值；VS為檢定裝置的平均速度標(biāo)準(zhǔn)值；ΔL為檢定裝置測得的距離間隔標(biāo)準(zhǔn)值；Δt為檢定裝置測得的時(shí)間間隔標(biāo)準(zhǔn)值。

5.3　標(biāo)準(zhǔn)不確定度的A類評定

根據(jù)表1 的數(shù)據(jù)，由貝塞爾公式求得測量值的實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)差：

檢定時(shí)取單次測量結(jié)果，由測量重復(fù)性引入的不確定度為

u1(Δv)=s(Δv)=0.205km/h

相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度u1=0.257％

5.4　標(biāo)準(zhǔn)不確定度的B類評定

5.4.1時(shí)間顯示牌分辨力引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定分量u2

u2=0.032％。

5.4.2距離顯示牌分辨力引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定分量u3

5.4.3非接觸光電式測速儀最大允許誤差引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u4

u4=0.578％。

5.5　相對合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度

取包含因子k=2，則相對擴(kuò)展不確定度為1.3％。滿足對檢定裝置高于被檢1/3以上的要求。

6　結(jié)束語

該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡單，原理易懂。在目前沒有成品區(qū)間測速檢定裝置的情況下，具有數(shù)字電路知識的計(jì)量機(jī)構(gòu)均可制作應(yīng)用。測量距離所用的傳感器不限于非接觸式光電速度傳感器，五輪小車傳感器也可為檢定裝置提供距離脈沖數(shù)據(jù)?；贕PS的速度傳感器可為沒有涵洞或隧道的路段提供距離數(shù)據(jù)。

檢定過程中試驗(yàn)車無需勻速行駛，無需檢定員判斷進(jìn)入和駛出區(qū)間的時(shí)機(jī)，避免人工操作引入的誤差。通過被檢測速系統(tǒng)拍攝的圖片讀取檢定裝置顯示的距離標(biāo)準(zhǔn)值，該值與真實(shí)道路上行駛路程吻合。由于無需在路面上進(jìn)行人工測繪作業(yè)，安全性有保障，可操作性較強(qiáng)。該檢定裝置的時(shí)間顯示單元和距離測量單元可以分別通過檢定進(jìn)行量值溯源。

區(qū)間測速反映的是汽車行駛在一個(gè)路段的兩個(gè)或多個(gè)截面之間的平均速度，有效地解決了單點(diǎn)測速的易躲避性，對危險(xiǎn)路段車速控制有明顯作用，更能客觀準(zhǔn)確地檢測超速車輛，為執(zhí)法部門提供更加有效、可靠的違章執(zhí)法依據(jù)。[8]區(qū)間測速的準(zhǔn)確度受廣大駕駛員關(guān)注，相對其他的交通違法行為，超速違法行為的取證過程受測速儀器準(zhǔn)確度的影響。2013年實(shí)行新《機(jī)動車駕駛證申領(lǐng)和使用規(guī)定》(公安部令第123號)以來，測速儀的準(zhǔn)確度更是媒體和駕駛員高度關(guān)注的焦點(diǎn)。通過研究區(qū)間測速系統(tǒng)的檢定方法和檢定裝置，對區(qū)間測速系統(tǒng)進(jìn)行檢定，獲得實(shí)踐數(shù)據(jù)為制定機(jī)動車區(qū)間測速系統(tǒng)檢定規(guī)程提供實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和數(shù)據(jù)支持。

[1]公安部道路交通管理標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會.GA/T 959-2011機(jī)動車區(qū)間測速技術(shù)規(guī)范[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2011

[2]中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會.GB/T 21255-2007 機(jī)動車測速儀[S]. 中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2008

[3]國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.JJG527-2007機(jī)動車超速自動監(jiān)測系統(tǒng)[S].北京：中國計(jì)量出版社，2007

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