全國(guó)非接觸式汽車速度計(jì)比對(duì)的研究

孫 橋, 杜 磊, 白 杰, 曹 進(jìn), 王麗芳, 蘇 陽(yáng)

(1.中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院,北京100029； 2.重慶市計(jì)量質(zhì)量檢測(cè)研究院,重慶401120)

1 引 言

機(jī)動(dòng)車測(cè)速儀主要用于道路交通管理,對(duì)行駛的機(jī)動(dòng)車速度進(jìn)行監(jiān)測(cè)。它是交通管理執(zhí)法的主要技術(shù)手段,也是涉及人身安全的重要計(jì)量器具。機(jī)動(dòng)車測(cè)速儀的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試是對(duì)機(jī)動(dòng)車測(cè)速儀計(jì)量性能做出科學(xué)準(zhǔn)確評(píng)價(jià)的重要檢測(cè)項(xiàng)目[1]。隨著測(cè)速技術(shù)的進(jìn)步,目前國(guó)內(nèi)計(jì)量技術(shù)機(jī)構(gòu)均采用非接觸式汽車速度計(jì)作為現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)準(zhǔn)器對(duì)不同工作原理的機(jī)動(dòng)車測(cè)速儀的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)速誤差進(jìn)行檢定,滿足了我國(guó)日常使用中機(jī)動(dòng)車測(cè)速儀的計(jì)量檢定需要[2]。比對(duì)是在規(guī)定條件下,在相同量的計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)所復(fù)現(xiàn)和保持的量值之間進(jìn)行比較、分析和評(píng)價(jià)的過(guò)程[3],是確保計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)量值統(tǒng)一、準(zhǔn)確、可靠的技術(shù)手段之一。對(duì)于目前測(cè)速計(jì)量領(lǐng)域開(kāi)展的法制計(jì)量技術(shù)工作,固定比對(duì)地點(diǎn)的非接觸式汽車速度計(jì)現(xiàn)場(chǎng)比對(duì)具有重要的技術(shù)意義[4]。另外,對(duì)于消除少數(shù)機(jī)動(dòng)車駕駛者對(duì)交管部門使用的機(jī)動(dòng)車測(cè)速儀的合法性及準(zhǔn)確性的質(zhì)疑也具有一定意義。與其它物理量值相比,機(jī)動(dòng)車行駛速度量值具有測(cè)量特殊性,即行駛速度受場(chǎng)地、環(huán)境、天氣、車輛、駕駛?cè)藛T本身等多種因素的綜合影響,主要體現(xiàn)在行駛速度很難準(zhǔn)確復(fù)現(xiàn)[5],因此,選擇適當(dāng)?shù)谋葘?duì)地點(diǎn)及試驗(yàn)車輛非常重要,同時(shí)在比對(duì)過(guò)程中對(duì)參考值的給定和不確定度的評(píng)定都要考慮到現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量自身的特點(diǎn),制定合理的技術(shù)方案,使比對(duì)結(jié)果全面、客觀、真實(shí)地反映標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)水平。

2017年,中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院作為主導(dǎo)實(shí)驗(yàn)室組織進(jìn)行了全國(guó)非接觸式汽車速度計(jì)的現(xiàn)場(chǎng)比對(duì),比對(duì)地點(diǎn)為重慶市計(jì)量質(zhì)量檢測(cè)研究院機(jī)動(dòng)車強(qiáng)檢試驗(yàn)場(chǎng),重慶市計(jì)量質(zhì)量檢測(cè)研究院為輔助主導(dǎo)實(shí)驗(yàn)室。比對(duì)工作于2017年6月開(kāi)始,2018年12月結(jié)束,29家建標(biāo)實(shí)驗(yàn)室參加了比對(duì),全部實(shí)驗(yàn)室的比對(duì)結(jié)果為滿意。參加實(shí)驗(yàn)室范圍涉及全國(guó)20個(gè)省、4個(gè)自治區(qū)和4個(gè)直轄市,其中省級(jí)計(jì)量技術(shù)機(jī)構(gòu)27家。

2 比 對(duì)

2.1 比對(duì)方式

根據(jù)機(jī)動(dòng)車測(cè)速專業(yè)的特點(diǎn),本次比對(duì)采用固定地點(diǎn)的比對(duì)方式。主導(dǎo)實(shí)驗(yàn)室計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)器為建標(biāo)的高精度機(jī)動(dòng)車GPS測(cè)速儀。參比實(shí)驗(yàn)室按比對(duì)計(jì)劃攜帶其建標(biāo)的非接觸式汽車速度計(jì)到重慶市計(jì)量質(zhì)量檢測(cè)研究院機(jī)動(dòng)車強(qiáng)檢試驗(yàn)場(chǎng)開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)比對(duì)實(shí)驗(yàn)。

各實(shí)驗(yàn)室按照日常檢定程序得到非接觸式汽車速度計(jì)的速度測(cè)量值,比對(duì)點(diǎn)為60 km/h、80 km/h、100 km/h和120 km/h。

2.2 比對(duì)分組

比對(duì)共分5組,每組5～6家參比實(shí)驗(yàn)室。主導(dǎo)實(shí)驗(yàn)室(編號(hào)01)參加每組的比對(duì)測(cè)量。每組都包含一臺(tái)國(guó)產(chǎn)非接觸式汽車速度計(jì)、多臺(tái)進(jìn)口非接觸式汽車速度計(jì)和一臺(tái)高精度機(jī)動(dòng)車GPS測(cè)速儀,確保每組的比對(duì)測(cè)量結(jié)果來(lái)自不同測(cè)量原理的標(biāo)準(zhǔn)器及同種測(cè)量原理的不同生產(chǎn)廠家的標(biāo)準(zhǔn)器[6]。

2.3 不確定度來(lái)源

比對(duì)時(shí)間為2018年11月16日至18日,現(xiàn)場(chǎng)氣溫為(8～13)℃,天氣情況為小到中雨。選用車況良好、行駛平穩(wěn)的機(jī)動(dòng)車作為試驗(yàn)車。作為測(cè)量對(duì)象的該試驗(yàn)車,在平直車道上按比對(duì)速度值勻速行駛時(shí),對(duì)車上裝有參加比對(duì)的多臺(tái)非接觸式汽車速度計(jì)及高精度機(jī)動(dòng)車GPS測(cè)速儀進(jìn)行速度測(cè)量值的拍照同步采集。

對(duì)于非接觸式汽車速度計(jì)的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量結(jié)果,其主要的不確定度來(lái)源有以下幾項(xiàng)：1) 非接觸式汽車速度計(jì)本身及其實(shí)驗(yàn)室溯源引入的測(cè)量不確定度分量；2) 安裝誤差、車身抖動(dòng)等環(huán)境因素引入的測(cè)量不確定度分量；3) 速度波動(dòng)、采樣延遲等測(cè)量因素引入的測(cè)量不確定度分量；4) 路面條件、天氣情況等場(chǎng)地因素引入的測(cè)量不確定度分量；5)其他需要考慮的測(cè)量不確定度分量。

在不確定度評(píng)估中,應(yīng)對(duì)這幾項(xiàng)不確定度來(lái)源給予充分全面的考慮。非接觸式汽車速度計(jì)本身的溯源,一般是在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境條件下通過(guò)轉(zhuǎn)鼓法或齒形帶法的活動(dòng)路面模擬裝置進(jìn)行校準(zhǔn),近似在理想條件下開(kāi)展測(cè)量,不能完全反映現(xiàn)場(chǎng)真實(shí)道路場(chǎng)景下的多種影響因素對(duì)測(cè)量不確定度的綜合影響。非接觸式汽車速度計(jì)本身溯源引入的測(cè)量不確定度分量,只是現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量不確定度的主要來(lái)源之一,不應(yīng)直接套用于現(xiàn)場(chǎng)的復(fù)雜場(chǎng)景當(dāng)作現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量不確定度本身。

3 比對(duì)結(jié)果

3.1 數(shù)據(jù)評(píng)估

采用同組多個(gè)實(shí)驗(yàn)室的量值按算術(shù)平均法計(jì)算本組比對(duì)參考值?？傮w而言,參與每組參考值計(jì)算的各實(shí)驗(yàn)室量值的不確定度比較接近[7,8]。主導(dǎo)實(shí)驗(yàn)室對(duì)所有比對(duì)實(shí)驗(yàn)室提交的比對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總,比對(duì)實(shí)驗(yàn)室的測(cè)量值與其不確定度的一致性通過(guò)歸一化偏差En進(jìn)行評(píng)價(jià),見(jiàn)式(1)：

(1)

式中：k為覆蓋因子,k=2；ui為第i個(gè)測(cè)量點(diǎn)上Yji-Yri的標(biāo)準(zhǔn)不確定度。

當(dāng)uri與uji相互無(wú)關(guān)或相關(guān)較弱時(shí)：

(2)

式中：uri為第i個(gè)測(cè)量點(diǎn)上參考值的標(biāo)準(zhǔn)不確定度；uji為第j個(gè)實(shí)驗(yàn)室在第i個(gè)測(cè)量點(diǎn)上測(cè)量結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)不確定度。

|En|≤1表示參加實(shí)驗(yàn)室的測(cè)量結(jié)果與參考值之差在合理的預(yù)期之內(nèi),比對(duì)結(jié)果可接受。

|En|>1表示參加實(shí)驗(yàn)室的測(cè)量結(jié)果與參考值之差沒(méi)有達(dá)到合理的預(yù)期,應(yīng)分析原因。

3.2 比對(duì)結(jié)果

本次比對(duì)的結(jié)果表明,各參比實(shí)驗(yàn)室在各比對(duì)測(cè)量點(diǎn)的測(cè)量值與比對(duì)參考值的偏差小于相應(yīng)的等效測(cè)量不確定度,見(jiàn)表1～表4。

表1～表4中v為速度測(cè)量值,Uv為速度測(cè)量值的擴(kuò)展不確定度,σv為速度測(cè)量值與參考值偏差,Uσv為偏差的擴(kuò)展不確定度。

表1 比對(duì)點(diǎn)60 km/h測(cè)量結(jié)果統(tǒng)計(jì)(k=2)

表2 比對(duì)點(diǎn)80 km/h測(cè)量結(jié)果統(tǒng)計(jì)(k=2)

表3 比對(duì)點(diǎn)100 km/h測(cè)量結(jié)果統(tǒng)計(jì)(k=2)

表4 比對(duì)點(diǎn)120 km/h測(cè)量結(jié)果統(tǒng)計(jì)(k=2)

4 結(jié)果分析

從本次比對(duì)數(shù)據(jù)來(lái)看,影響比對(duì)實(shí)驗(yàn)室測(cè)量結(jié)果的原因包括以下幾種情況：

1) 本次比對(duì)是固定地點(diǎn)的現(xiàn)場(chǎng)比對(duì),開(kāi)展測(cè)量不確定度評(píng)定時(shí)應(yīng)充分考慮現(xiàn)場(chǎng)的安裝因素、環(huán)境因素、測(cè)量因素和天氣因素對(duì)測(cè)量結(jié)果的綜合影響。本次比對(duì)中各實(shí)驗(yàn)室的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量不確定度一般約為1.0%(k=2)。

2) 個(gè)別實(shí)驗(yàn)室在進(jìn)行測(cè)量不確定度評(píng)定時(shí),忽略了安裝誤差、車身抖動(dòng)、速度波動(dòng)、延遲誤差、天氣情況及路面條件等現(xiàn)場(chǎng)影響因素或?qū)@些現(xiàn)場(chǎng)影響因素的不確定度分量值評(píng)估過(guò)小,例如：編號(hào)29的實(shí)驗(yàn)室,在4個(gè)比對(duì)點(diǎn)提交的測(cè)量不確定度均為0.2%(k=2),明顯優(yōu)于其他所有實(shí)驗(yàn)室評(píng)估的測(cè)量不確定度。在比對(duì)點(diǎn)100 km/h,其|En|值為0.94,風(fēng)險(xiǎn)較大。

3) 一些實(shí)驗(yàn)室在進(jìn)行測(cè)量不確定度評(píng)定時(shí),考慮了本次比對(duì)未涉及的被測(cè)儀器示值引入的不確定度分量,導(dǎo)致不確定度值評(píng)估過(guò)大,例如：編號(hào)13的實(shí)驗(yàn)室,在比對(duì)點(diǎn)60 km/h提交的測(cè)量不確定度為1.9%(k=2),明顯差于其他實(shí)驗(yàn)室的測(cè)量不確定度。雖然|En|值為0.25,風(fēng)險(xiǎn)較小,但未能體現(xiàn)其最佳的測(cè)量能力。

4) 一些實(shí)驗(yàn)室在進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量時(shí),未考慮陰雨天氣下非接觸式汽車速度計(jì)本身防水等級(jí)及相應(yīng)防水措施,導(dǎo)致現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量誤差較大,例如：編號(hào)23的實(shí)驗(yàn)室,在比對(duì)點(diǎn)100 km/h,|En|值為0.82,風(fēng)險(xiǎn)較大。

5) 一些實(shí)驗(yàn)室在進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量時(shí),未考慮非接觸式汽車速度計(jì)本身的光電特性及路面條件,導(dǎo)致現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量誤差較大,例如：編號(hào)06的實(shí)驗(yàn)室,在比對(duì)點(diǎn)80 km/h,|En|值為0.89,風(fēng)險(xiǎn)較大。

5 結(jié) 論

本次比對(duì)結(jié)果表明,全部參比實(shí)驗(yàn)室的非接觸式汽車速度計(jì)測(cè)量的機(jī)動(dòng)車行駛速度量值可靠,能夠滿足量值傳遞的要求。非接觸式汽車速度計(jì)是全國(guó)機(jī)動(dòng)車測(cè)速儀的現(xiàn)場(chǎng)計(jì)量檢定中的主標(biāo)準(zhǔn)器,通過(guò)非接觸式汽車速度計(jì)的量值比對(duì),達(dá)到了檢驗(yàn)國(guó)內(nèi)非接觸式汽車速度計(jì)標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)現(xiàn)狀的目的,同時(shí)通過(guò)比對(duì)鍛煉了參比實(shí)驗(yàn)室人員的技術(shù)能力,發(fā)現(xiàn)了一些存在的問(wèn)題,促進(jìn)了各實(shí)驗(yàn)室機(jī)動(dòng)車測(cè)速儀計(jì)量能力的提升。