葉峻江　尹錫堅　鄭藝成

(廣東省計量科學研究院東莞計量院，東莞 523000)

0　引言

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

傳統(tǒng)的雷達測速儀、激光測速儀和地感線圈測速儀等都是固定點的瞬時速度測量儀器。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，通常采取臨近時減速通過，然后繼續(xù)超速行駛，使得測速點形同虛設，路段控速的目的很難實現(xiàn)；2)當超速車輛猛然看到前方測速裝置時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；4)證眼雷達等傳統(tǒng)單點測速設備，其取證抓拍系統(tǒng)的圖像只允許一輛目標車輛出現(xiàn)，當有一輛以上車輛同時出現(xiàn)在同一畫面中時，因為不能具體分辨哪一輛車輛超速而導致證據(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。機動車區(qū)間測速系統(tǒng)屬于測速儀的一種，需執(zhí)行強制檢定。

目前我國還沒有《機動車區(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《機動車區(qū)間測速技術(shù)規(guī)范》[1]，并于2011年10月1日起實施。規(guī)范中與計量有關(guān)的要求是平均速度計算。規(guī)范要求區(qū)間距離不能有正誤差，24h內(nèi)計時誤差不得超過1.0s，平均速度誤差應符合GB/T 21255—2007《機動車測速儀》[2]的要求。我們通過與規(guī)程JJG 527—2007《機動車超速自動監(jiān)測系統(tǒng)》[3]的比較，兩者對測速誤差的計量特性要求一致。

為解決現(xiàn)實中區(qū)間測速系統(tǒng)的檢定需求，在滿足準確度、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)機動車行駛速度進行實時、自動測量，同時拍攝超出該車道限速范圍行駛的機動車圖像，自動記錄該車道內(nèi)機動車行駛時的速度值、日期、時間、地點等相關(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)可認為是機動車超速自動監(jiān)測系統(tǒng)的一類。JJG 527—2007中應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)測得的是兩個相鄰測速監(jiān)控點之間長距離的平均速度。可以認為區(qū)間測速系統(tǒng)是機動車超速自動監(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端點上分別安裝一套前端檢測抓拍設備，當機動車通過檢測點時，安裝在該點的前端檢測抓拍系統(tǒng)自動記錄通過該點的時間，并進行圖片抓拍。當車輛完全離開封閉路段時，系統(tǒng)通過網(wǎng)絡將數(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的時間、地點、速度及限速值，并及時將該車輛的違章信息通過數(shù)據(jù)交換發(fā)送到支隊的違法系統(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準速度儀。試驗車勻速通過監(jiān)測區(qū)域，標準速度儀測量并顯示記錄試驗車通過監(jiān)測區(qū)域時的實際速度值，與此同時監(jiān)測系統(tǒng)對試驗車進行速度測量并拍照，輸出的圖片上顯示抓拍的速度值。

檢定裝置給出的標準速度是瞬時速度，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)，試驗車在線圈間距內(nèi)接近勻速運動，瞬時速度基本等于平均速度。但區(qū)間測速系統(tǒng)設計的距離通常達到數(shù)公里的級別，在區(qū)間內(nèi)不可能保持試驗車勻速行駛，檢定區(qū)間測速系統(tǒng)時不能照搬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。部分計量機構(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。其中有代表性的方法是在試驗車進入、駛出區(qū)間終端時手動啟動和終止光柵式非接觸速度測試儀[4]，記錄距離和行駛時間，得到平均速度值作為標準值。文獻[5]利用經(jīng)過檢定合格的光柵式非接觸測試儀現(xiàn)場實際路跑測速校準的方法和該方法類似。筆者使用該方法對我市環(huán)城路一個約4km的區(qū)間測速系統(tǒng)進行了12次重復性試驗，得到的速度重復性超過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)在試驗車進入、駛出區(qū)間端口時檢定員人工操作檢定裝置的反應時間；2)檢定員目測進入和駛出區(qū)間終端的操作時刻和被檢區(qū)間測速系統(tǒng)實際的觸發(fā)拍照時刻不一致。

文獻[6]認為，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間誤差，兩個量值都準確即可。對時間進行計量，先對中央服務器和每個終端，監(jiān)測其與北京時間差值，要求不大于0.1s，再檢測中央服務器和每個監(jiān)測終端分別在4分鐘、1小時內(nèi)計時誤差，要求相對誤差不大于1×10-3。將被檢終端的時間調(diào)整至與北京時間誤差較大后，觀察其與北京時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)并不單獨給出時間輸出接口，無法直接監(jiān)測其與北京時間的差值。區(qū)間測速系統(tǒng)的軟件通過調(diào)用計算機時鐘獲得時間值，時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，導致檢定4分鐘和1小時計時誤差受分辨力影響嚴重。該方法未考慮各終端觸發(fā)到抓拍之間的延時不一致引起的誤差。

遇到較大網(wǎng)絡內(nèi)的區(qū)間測速系統(tǒng)時，如全省性以收費站為終端的高速交通網(wǎng)絡，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)，與實際路面的起伏有差異。該方法不使用試驗車進行現(xiàn)場測試，每個終端能否正常觸發(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準值對區(qū)間測速系統(tǒng)進行測速誤差檢定；2)不進行現(xiàn)場測速誤差檢定，只分別檢定系統(tǒng)的距離和時間是否準確。第一類方法的重復性不理想，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)間終端之間的準確距離和時間。同時避免操作人員的觀測誤差，保證有不間斷的傳遞鏈進行量值傳遞，要求檢定裝置滿足以下要求：

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

2)能顯示通過區(qū)間的時間，該時間標準值可以被區(qū)間測速系統(tǒng)同步抓拍；

3)距離和時間標準值可以被終端抓拍后通過圖片獲得，避免人工記錄；

4)進入和駛出抓拍點時不需人工進行觸發(fā)標準裝置；

5)距離標準值是車輛行駛的歷史距離，該距離的起點和終點與抓拍位置一致；

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間顯示單元兩部分構(gòu)成，距離和時間標準值通過安裝于試驗車頂?shù)娘@示牌顯示。為適應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、脈沖計數(shù)器、鎖存器、譯碼器、驅(qū)動電路構(gòu)成。時間顯示單元由恒溫晶體振蕩器、時鐘芯片、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車門上。在進入測速區(qū)間前，啟動設備，車輛以限速值的50％，100％和150％(需要并安全時)通過測速區(qū)間。當試驗車行駛時，非接觸光電式速度傳感器每經(jīng)過4mm路面就產(chǎn)生一個脈沖[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)送到脈沖計數(shù)器進行累計，每累計250脈沖(車輛行駛1m)后進行累加運算，并將數(shù)據(jù)進行鎖存，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車行駛的歷史距離，距離的分辨力為1m。

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

4.3　檢定裝置安裝及安全防護

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。為預防高速行駛過程中檢定裝置發(fā)生脫落，其緊固件由兩個直徑超過10cm的強力吸盤和車頂行李安裝支架兩部分獨立構(gòu)成，并附帶兩套保險帶。當其中一個緊固件脫落，另外一個緊固件可以繼續(xù)支撐檢定裝置。在極端情況下，兩個緊固件同時脫落，保險帶將拉緊檢定裝置，防止檢定裝置脫落造成事故。

圖3　檢定裝置安裝圖

4.4　檢定實施

檢定時，開啟檢定裝置電源，試驗車進入被檢測速系統(tǒng)端口并被抓拍。通過被檢系統(tǒng)的抓拍圖片讀取進入?yún)^(qū)間時的距離標準值L1和時間標準值t1；駛出被檢區(qū)間端口時再次被抓拍，讀取駛出區(qū)間

時的距離標準值L2和時間標準值t2。試驗車在區(qū)間內(nèi)的行駛距離ΔL=(L2-L1)，行駛時間ΔT=(t2-t1)，試驗車的平均速度標準值按VS=3.6×(ΔL/Δt)計算，單位為km/h。

檢定裝置啟動后，不需人工對儀器進行再操作，全過程實現(xiàn)自動化。時間標準值和距離標準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)抓拍時刻一致，沒有延時的影響。

5　不確定度評定

以我市環(huán)城路上一段約4km，限速80km/h的機動車區(qū)間測速系統(tǒng)進行檢定為例，進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準值和時間間隔標準值，計算出標準速度。重復10次測量，將每次測速誤差記錄于表1。

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

5.2　數(shù)學模型

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準值；ΔL為檢定裝置測得的距離間隔標準值；Δt為檢定裝置測得的時間間隔標準值。

5.3　標準不確定度的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驗標準差：

檢定時取單次測量結(jié)果，由測量重復性引入的不確定度為

u1(Δv)=s(Δv)=0.205km/h

相對標準不確定度u1=0.257％

5.4　標準不確定度的B類評定

5.4.1時間顯示牌分辨力引入的標準不確定分量u2

u2=0.032％。

5.4.2距離顯示牌分辨力引入的標準不確定分量u3

5.4.3非接觸光電式測速儀最大允許誤差引入的標準不確定度分量u4

u4=0.578％。

5.5　相對合成標準不確定度

取包含因子k=2，則相對擴展不確定度為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)字電路知識的計量機構(gòu)均可制作應用。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)。

檢定過程中試驗車無需勻速行駛，無需檢定員判斷進入和駛出區(qū)間的時機，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準值，該值與真實道路上行駛路程吻合。由于無需在路面上進行人工測繪作業(yè)，安全性有保障，可操作性較強。該檢定裝置的時間顯示單元和距離測量單元可以分別通過檢定進行量值溯源。

區(qū)間測速反映的是汽車行駛在一個路段的兩個或多個截面之間的平均速度，有效地解決了單點測速的易躲避性，對危險路段車速控制有明顯作用，更能客觀準確地檢測超速車輛，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確度的影響。2013年實行新《機動車駕駛證申領(lǐng)和使用規(guī)定》(公安部令第123號)以來，測速儀的準確度更是媒體和駕駛員高度關(guān)注的焦點。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)進行檢定，獲得實踐數(shù)據(jù)為制定機動車區(qū)間測速系統(tǒng)檢定規(guī)程提供實踐經(jīng)驗和數(shù)據(jù)支持。

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