全国非接触式汽车速度计比对的研究

孙 桥, 杜 磊, 白 杰, 曹 进, 王丽芳, 苏 阳

(1.中国计量科学研究院,北京100029； 2.重庆市计量质量检测研究院,重庆401120)

1 引 言

机动车测速仪主要用于道路交通管理,对行驶的机动车速度进行监测。它是交通管理执法的主要技术手段,也是涉及人身安全的重要计量器具。机动车测速仪的现场测试是对机动车测速仪计量性能做出科学准确评价的重要检测项目[1]。随着测速技术的进步,目前国内计量技术机构均采用非接触式汽车速度计作为现场标准器对不同工作原理的机动车测速仪的现场测速误差进行检定,满足了我国日常使用中机动车测速仪的计量检定需要[2]。比对是在规定条件下,在相同量的计量标准所复现和保持的量值之间进行比较、分析和评价的过程[3],是确保计量标准量值统一、准确、可靠的技术手段之一。对于目前测速计量领域开展的法制计量技术工作,固定比对地点的非接触式汽车速度计现场比对具有重要的技术意义[4]。另外,对于消除少数机动车驾驶者对交管部门使用的机动车测速仪的合法性及准确性的质疑也具有一定意义。与其它物理量值相比,机动车行驶速度量值具有测量特殊性,即行驶速度受场地、环境、天气、车辆、驾驶人员本身等多种因素的综合影响,主要体现在行驶速度很难准确复现[5],因此,选择适当的比对地点及试验车辆非常重要,同时在比对过程中对参考值的给定和不确定度的评定都要考虑到现场测量自身的特点,制定合理的技术方案,使比对结果全面、客观、真实地反映标准的技术水平。

2017年,中国计量科学研究院作为主导实验室组织进行了全国非接触式汽车速度计的现场比对,比对地点为重庆市计量质量检测研究院机动车强检试验场,重庆市计量质量检测研究院为辅助主导实验室。比对工作于2017年6月开始,2018年12月结束,29家建标实验室参加了比对,全部实验室的比对结果为满意。参加实验室范围涉及全国20个省、4个自治区和4个直辖市,其中省级计量技术机构27家。

2 比 对

2.1 比对方式

根据机动车测速专业的特点,本次比对采用固定地点的比对方式。主导实验室计量标准器为建标的高精度机动车GPS测速仪。参比实验室按比对计划携带其建标的非接触式汽车速度计到重庆市计量质量检测研究院机动车强检试验场开展现场比对实验。

各实验室按照日常检定程序得到非接触式汽车速度计的速度测量值,比对点为60 km/h、80 km/h、100 km/h和120 km/h。

2.2 比对分组

比对共分5组,每组5～6家参比实验室。主导实验室(编号01)参加每组的比对测量。每组都包含一台国产非接触式汽车速度计、多台进口非接触式汽车速度计和一台高精度机动车GPS测速仪,确保每组的比对测量结果来自不同测量原理的标准器及同种测量原理的不同生产厂家的标准器[6]。

2.3 不确定度来源

比对时间为2018年11月16日至18日,现场气温为(8～13)℃,天气情况为小到中雨。选用车况良好、行驶平稳的机动车作为试验车。作为测量对象的该试验车,在平直车道上按比对速度值匀速行驶时,对车上装有参加比对的多台非接触式汽车速度计及高精度机动车GPS测速仪进行速度测量值的拍照同步采集。

对于非接触式汽车速度计的现场测量结果,其主要的不确定度来源有以下几项：1) 非接触式汽车速度计本身及其实验室溯源引入的测量不确定度分量；2) 安装误差、车身抖动等环境因素引入的测量不确定度分量；3) 速度波动、采样延迟等测量因素引入的测量不确定度分量；4) 路面条件、天气情况等场地因素引入的测量不确定度分量；5)其他需要考虑的测量不确定度分量。

在不确定度评估中,应对这几项不确定度来源给予充分全面的考虑。非接触式汽车速度计本身的溯源,一般是在实验室环境条件下通过转鼓法或齿形带法的活动路面模拟装置进行校准,近似在理想条件下开展测量,不能完全反映现场真实道路场景下的多种影响因素对测量不确定度的综合影响。非接触式汽车速度计本身溯源引入的测量不确定度分量,只是现场测量不确定度的主要来源之一,不应直接套用于现场的复杂场景当作现场测量不确定度本身。

3 比对结果

3.1 数据评估

采用同组多个实验室的量值按算术平均法计算本组比对参考值。总体而言,参与每组参考值计算的各实验室量值的不确定度比较接近[7,8]。主导实验室对所有比对实验室提交的比对数据进行汇总,比对实验室的测量值与其不确定度的一致性通过归一化偏差En进行评价,见式(1)：

(1)

式中：k为覆盖因子,k=2；ui为第i个测量点上Yji-Yri的标准不确定度。

当uri与uji相互无关或相关较弱时：

(2)

式中：uri为第i个测量点上参考值的标准不确定度；uji为第j个实验室在第i个测量点上测量结果的标准不确定度。

|En|≤1表示参加实验室的测量结果与参考值之差在合理的预期之内,比对结果可接受。

|En|>1表示参加实验室的测量结果与参考值之差没有达到合理的预期,应分析原因。

3.2 比对结果

本次比对的结果表明,各参比实验室在各比对测量点的测量值与比对参考值的偏差小于相应的等效测量不确定度,见表1～表4。

表1～表4中v为速度测量值,Uv为速度测量值的扩展不确定度,σv为速度测量值与参考值偏差,Uσv为偏差的扩展不确定度。

表1 比对点60 km/h测量结果统计(k=2)

表2 比对点80 km/h测量结果统计(k=2)

表3 比对点100 km/h测量结果统计(k=2)

表4 比对点120 km/h测量结果统计(k=2)

4 结果分析

从本次比对数据来看,影响比对实验室测量结果的原因包括以下几种情况：

1) 本次比对是固定地点的现场比对,开展测量不确定度评定时应充分考虑现场的安装因素、环境因素、测量因素和天气因素对测量结果的综合影响。本次比对中各实验室的现场测量不确定度一般约为1.0%(k=2)。

2) 个别实验室在进行测量不确定度评定时,忽略了安装误差、车身抖动、速度波动、延迟误差、天气情况及路面条件等现场影响因素或对这些现场影响因素的不确定度分量值评估过小,例如：编号29的实验室,在4个比对点提交的测量不确定度均为0.2%(k=2),明显优于其他所有实验室评估的测量不确定度。在比对点100 km/h,其|En|值为0.94,风险较大。

3) 一些实验室在进行测量不确定度评定时,考虑了本次比对未涉及的被测仪器示值引入的不确定度分量,导致不确定度值评估过大,例如：编号13的实验室,在比对点60 km/h提交的测量不确定度为1.9%(k=2),明显差于其他实验室的测量不确定度。虽然|En|值为0.25,风险较小,但未能体现其最佳的测量能力。

4) 一些实验室在进行现场测量时,未考虑阴雨天气下非接触式汽车速度计本身防水等级及相应防水措施,导致现场测量误差较大,例如：编号23的实验室,在比对点100 km/h,|En|值为0.82,风险较大。

5) 一些实验室在进行现场测量时,未考虑非接触式汽车速度计本身的光电特性及路面条件,导致现场测量误差较大,例如：编号06的实验室,在比对点80 km/h,|En|值为0.89,风险较大。

5 结 论

本次比对结果表明,全部参比实验室的非接触式汽车速度计测量的机动车行驶速度量值可靠,能够满足量值传递的要求。非接触式汽车速度计是全国机动车测速仪的现场计量检定中的主标准器,通过非接触式汽车速度计的量值比对,达到了检验国内非接触式汽车速度计标准技术现状的目的,同时通过比对锻炼了参比实验室人员的技术能力,发现了一些存在的问题,促进了各实验室机动车测速仪计量能力的提升。