高速公路超速抓拍如何保证±1公里/小时的测速精度，同时解决车轮打滑和全天候复杂环境挑战？【交通执法】【非接触测速】

1. 基于高速公路车辆的基本结构与技术要求

在高速公路超速抓拍场景中，我们的“被测物”是高速行驶的机动车辆。要准确测量它的速度，首先需要理解车辆的运动特性。一辆车的基本结构包括车身、底盘、传动系统和车轮。当车辆在路面上行驶时，发动机通过传动系统驱动车轮转动，车轮与地面产生摩擦力，从而推动车辆前进。

在这个过程中，最核心的技术要求是精确测量车辆相对于地面的真实瞬时速度。这听起来简单，但实际操作中存在一个关键挑战：车轮打滑。想象一下，雨天路面湿滑，或者司机猛踩油门加速，车轮可能会空转，即车轮的转速比车辆实际前进的速度要快。如果测速系统仅仅是测量车轮的转速来推算车速，那么在打滑时就会产生误差，导致测速不准。因此，一个合格的超速抓拍系统必须能够避免车轮打滑带来的影响，直接测量车辆的整体位移速度，而非仅仅是车轮的旋转速度。

除了精度，系统还需要具备快速响应能力，以便及时捕捉高速移动的车辆；同时，它需要能够全天候稳定工作，不受光照、雨雪等环境因素的干扰，确保测量数据的可靠性和连续性。非接触式测量方式通常也是优选，因为它不会对路面造成破坏，也方便安装和维护。

2. 针对高速公路车辆速度监测的相关技术标准简介

针对高速公路车辆速度监测，通常会关注以下几个核心参数的定义和评价方法：

• 车辆速度： 这是指车辆相对于固定参照物（例如地面）在某一瞬间的移动速率。它是一个矢量，既包含大小（车速值），也包含方向。在测速抓拍中，我们主要关注其大小，即瞬时车速。

• 测速精度： 衡量测速系统给出速度值与车辆真实速度之间符合程度的指标。通常用最大允许误差（例如±1公里/小时或±0.5%）来表示。精度越高，意味着测量结果越接近真实情况，在执法应用中尤为重要。

• 响应时间： 从车辆进入传感器的有效检测区域，到传感器能够输出稳定、准确的速度数据所需的时间。对于高速运动的车辆，短的响应时间可以确保不会错过测量时机。

• 检测范围与车道覆盖： 检测范围是指传感器能够有效测量车辆速度的最大距离。车道覆盖能力则指单个传感器能同时监测并区分车辆数量的车道数。例如，一个传感器可以同时监控三个车道上的所有车辆。

• 环境适应性： 评价传感器在各种环境条件下（如高温、低温、雨、雪、雾、强光、弱光、夜间等）保持稳定工作和测量精度的能力。这对于户外长期运行的设备至关重要。

• 抗干扰能力： 指传感器在复杂电磁环境（如其他无线设备信号）、多车道密集交通或多目标同时出现时，避免相互干扰，准确测量单个目标的能力。

这些参数的评价方法通常包括：使用经过权威认证的设备对传感器进行校准；在实际道路环境下，通过已知速度的参考车辆进行对比测试，评估测量结果的一致性；以及进行长期稳定性测试，确保设备在长时间运行后性能不受影响。

3. 实时监测/检测技术方法

（1）市面上各种相关技术方案

在高速公路车道超速抓拍中，为了解决车轮打滑等问题，避免测量误差，市面上发展出了多种非接触式或直接测量地面速度的先进技术方案。

• 雷达多普勒测速技术

  • 工作原理与物理基础： 这种技术就像一个智能的回声探测器，但它使用的是电磁波而不是声音。当雷达传感器持续发射一束频率固定的微波信号（例如24 GHz）时，就像一个播音员在用固定频率的声音说话。如果这个电磁波遇到一个正在移动的物体（比如一辆高速行驶的汽车），被物体反射回来的电磁波的频率就会发生变化，这就是著名的“多普勒效应”。如果汽车向传感器靠近，反射波的频率会比发射波高；如果汽车远离，反射波的频率会降低。传感器内部的处理器会精确测量这个频率的变化量，也就是“多普勒频移”。 我们可以用一个公式来描述这个关系： f_d = 2 * v * cos(theta) / λ 这里，f_d 代表多普勒频移，也就是发射波和反射波之间的频率差；v 是被测物体（车辆）相对于雷达传感器的速度；theta 是雷达波束方向与车辆运动方向之间的夹角；λ 是雷达发射的电磁波的波长（λ = c / f，其中 c 是光速，f 是发射频率）。 通过测量f_d，传感器就能反向计算出车辆的真实速度v。 由于雷达波直接作用于车辆的车身或底部，测量的是车辆整体相对于地面的实际位移速度，而不是通过车轮转动来推算。这就像你看着一艘船在水面上移动，你测量的是船体相对于岸边的速度，而不会去管螺旋桨有没有在打滑。因此，雷达多普勒测速技术天然地对车轮打滑、轮胎周长变化以及轮胎因载重下陷等因素不敏感，能够提供车辆最真实的地面速度数据。

  • 核心性能参数典型范围： 速度测量范围通常从几公里/小时到200公里/小时甚至更高。速度精度普遍能达到±0.5%至±1公里/小时。响应时间通常在几十毫秒到几百毫秒之间，检测范围可达几十米到一百多米。

  • 优缺点：

    • 优点： 最大的优势在于其非接触性直接测量真实地面速度，完全不受车轮打滑影响。具有出色的全天候工作能力，雷达波能有效穿透雨、雪、雾等恶劣天气，也不受光照条件变化（如白天强光、夜晚无光、逆光等）的影响。通常可以覆盖多个车道，且安装方式非侵入式，对道路交通影响小。

    • 缺点： 在极其复杂的交通流或多目标紧密并行的情况下，区分和精确锁定特定目标可能需要更复杂的算法。对来自其他雷达设备的干扰需要进行抑制。

    • 适用场景： 高速公路超速抓拍、交通流量监测、隧道车辆测速、工业车辆（如叉车）的防撞与速度控制等所有对真实地面速度和环境适应性要求高的场合。

    • 成本考量： 初期投入相对适中，但由于其环境适应性强和免维护的特性，长期运营成本通常较低。

• 激光雷达（Lidar）技术

  • 工作原理与物理基础： 激光雷达的工作原理类似于声呐，但它使用的是激光脉冲。传感器发射一系列高度聚焦的激光脉冲，当这些激光脉冲遇到目标物体（如车辆）时，会被反射回来。传感器通过精确测量激光从发射到接收反射光所需的时间（即“飞行时间”），结合已知的激光传播速度（光速），就能计算出传感器与目标物体之间的精确距离。 距离 = (光速 * 飞行时间) / 2 通过高速、高密度地发射激光脉冲并测量不同方向的距离，激光雷达能快速构建出车辆及其周围环境的3D点云模型。系统再通过分析这些点云数据在连续时间内的变化，识别出车辆的移动轨迹，并据此计算出车辆的瞬时速度。

  • 核心性能参数典型范围： 测量范围可达几十米至200米甚至更远。扫描频率通常在10 Hz到100 Hz，角度分辨率可达0.05°。速度精度通常能达到±0.1%到±0.5%。

  • 优缺点：

    • 优点： 具有极高的距离和角度分辨率，能够构建非常精细的3D环境模型，从而实现高精度的车辆定位和速度测量。它也是非接触式测量，直接测量车辆的整体位移，因此不受车轮打滑影响。

    • 缺点： 激光信号在恶劣天气（如大雾、大雨、扬尘）下容易被散射和衰减，导致测量性能下降。系统成本相对较高。

    • 适用场景： 自动驾驶、高级驾驶辅助系统（ADAS）、高精度交通流分析、超速抓拍等。

    • 成本考量： 通常初期投资较高。

• 机器视觉测速技术

  • 工作原理与物理基础： 这种技术可以理解为“会思考的眼睛”。它利用高分辨率的数字摄像机，像拍电影一样，连续不断地捕捉道路上车辆的图像序列。每张图像都带有一个精确的时间戳。系统内部搭载的图像处理算法，会像一个非常专业的视觉分析师，在连续的图像帧中识别出车辆，并精确追踪车辆在不同帧中的位置。通过比较车辆在已知时间间隔（例如，两张连续图像的时间差）内的像素位移，并结合摄像机的标定参数（将像素位移转换成实际物理距离），就可以计算出车辆的瞬时速度。当检测到车辆超速时，系统会自动触发高清图像抓拍，包括车牌等关键信息，作为执法证据。 速度 = 车辆在图像中位移对应的实际距离 / 图像之间的时间间隔

  • 核心性能参数典型范围： 相机分辨率通常为5百万像素或更高。速度测量精度符合国际计量标准，通常在±3%以内。可覆盖多车道，具备实时图像捕获和车牌识别能力。

  • 优缺点：

    • 优点： 非接触式安装，不破坏路面。能够获取直观的图像证据，便于车牌识别和车辆分类。可以同时监控多个车道。同样，它测量的是车辆整体的图像位移，因此不受车轮打滑影响。

    • 缺点： 易受光照条件（如强逆光、夜间亮度不足、阴影遮挡）和恶劣天气（如大雨、大雪、大雾导致图像模糊）的影响，可能导致识别和测速精度下降。图像处理需要较高的计算能力。

    • 适用场景： 交通执法、智能交通管理、车辆识别、治安监控等。

    • 成本考量： 高清摄像机和高性能图像处理单元的初期投入相对较高。

• 石英压电测速技术

  • 工作原理与物理基础： 想象一下在路面上埋设了一根特殊的“弦”，当车轮压过它时，它会“唱歌”（产生电信号）。石英压电传感器正是利用了石英晶体的压电效应：当晶体受到机械压力时，会产生电荷。在实际应用中，通常会在车道下方以预设的精确距离（例如1米或2米）埋设两个或更多条石英压电传感器。当车辆的车轮（例如前轮）依次碾压过这两个传感器时，每个传感器会分别产生一个电信号。系统会精确记录车轮通过第一个传感器的时间点和通过第二个传感器的时间点。 通过测量这两个精确的时间点之间的时间差，结合传感器之间已知的、精确的物理距离，系统就可以计算出车辆在这段距离内的平均速度，这个速度非常接近车辆的瞬时速度。 速度 = 两个传感器之间的精确距离 / 车轮通过两个传感器的时间差

  • 核心性能参数典型范围： 线性度通常优于±1%。响应时间达到微秒级。使用寿命可达数百万次轴载。速度检测精度很高，通常在±1%以内。

  • 优缺点：

    • 优点： 测量精度非常高，响应速度极快。由于是直接测量车轮通过两个点的时间差，测量的是车辆的真实地面速度，不受车轮打滑影响。不受光照、雨雪等天气影响，稳定性好。能够同时进行车辆轴重和分类。

    • 缺点： 属于侵入式安装，需要开挖路面，施工复杂，对道路交通有一定影响。传感器本身容易受到路面磨损和损坏，后期维护成本可能较高。

    • 适用场景： 动态称重（WIM）、车辆分类、固定点精确测速抓拍等。

    • 成本考量： 初期安装和后期维护成本相对较高。

（2）市场主流品牌/产品对比

以下是对几个主流品牌在高速公路车道超速抓拍领域的技术特点和优势的对比：

• 美国韦尔德 (采用雷达多普勒技术) 美国韦尔德在交通雷达传感器领域享有盛誉。其产品，如SmartSensor Matrix系列，运用K波段（24.125 GHz）多普勒雷达技术，通过发射连续微波信号并分析反射信号的频率偏移，精确计算车辆速度。该产品能够同时覆盖多达10个车道，检测范围高达91米，并能达到±0.8公里/小时的速度精度。其显著特点是高精度、多车道同时覆盖、以及在各种恶劣天气和光照条件下的全天候稳定工作能力。韦尔德的产品安装简便，非侵入式，大大降低了部署和维护的难度。

• 英国真尚有 (采用雷达多普勒技术) 英国真尚有的LP-DS200多普勒测速传感器是一款基于雷达多普勒技术的真测速传感器，专门用于移动物体测速。它发射24 GHz的电磁波，并通过解析多普勒频移来提供精确的真实地面速度测量。LP-DS200的独特优势在于其测量结果完全不受车轮打滑、轮胎周长变化及轮胎下陷的影响，能够提供0.8 km/h至200 km/h的宽广测速范围。其高达 20 Hz的信号更新率，非常适合需要实时监测和控制的应用。同时，LP-DS200具备优异的环境适应性，可在-40°C至+70°C的温度范围内稳定运行，并拥有IP6KX、IPX7、IPX9K的高防护等级，使其在各种极端恶劣环境下也能可靠工作。此外，该传感器易于与被测物体平行安装，并且具有坚固的完全密封外壳。

• 法国法雷奥 (采用激光雷达技术) 法国法雷奥是汽车行业领先的激光雷达供应商。其Scala® Lidar系列产品采用脉冲激光雷达技术，通过测量激光脉冲的飞行时间来精确计算与目标物体的距离。这种方法能够高速、高精度地扫描并获取大量的3D点云数据，进而构建环境模型，并准确识别、跟踪车辆运动，计算其精确速度。法雷奥的Lidar产品已在汽车高级驾驶辅助系统（ADAS）中广泛应用，具备汽车级的可靠性和耐久性。它能够提供高达200米的测量范围和25 Hz的扫描频率，以高精度和高分辨率感知复杂交通环境。

• 德国詹普蒂克 (采用机器视觉技术) 德国詹普蒂克是全球交通安全和执法技术的重要提供商。其TRAFFISTAR S350系统采用先进的机器视觉和图像处理技术。该系统利用高分辨率数字摄像机持续捕捉车道内的车辆图像，并通过强大的内部算法实时跟踪分析车辆在连续图像序列中的位置变化。结合精确的时间戳，系统能够计算车辆的瞬时速度。当检测到超速时，系统会自动触发抓拍高清图像（包括车牌），作为违章证据。TRAFFISTAR S350系统非侵入式安装，可同时监控多个车道，并具备强大的数据处理和证据管理功能。

• 日本基恩士 (采用激光位移传感技术) 日本基恩士以其在工业自动化领域极高精度和高速响应的传感器技术而闻名。其LK-G5000系列激光位移传感器主要采用激光三角测量法。该传感器通过发射激光束并接收反射光，根据反射光在接收元件上的位置变化，来精确计算与目标物体之间的距离。在车辆测速应用中，可以通过部署一对高精度激光位移传感器，或使用高速扫描的单个传感器，在极短时间间隔内对车辆的精确位移进行连续测量，从而计算出车辆的通过速度。该系列传感器提供亚微米级的位移测量能力和高达392 kHz的采样速度，为实现高精度车辆速度测量提供了技术基础。

（3）选择设备/传感器时需要重点关注的技术指标及选型建议

在为高速公路超速抓拍选择合适的设备和传感器时，我们需要像挑选精密仪器一样，仔细审视几个关键的技术指标，因为它们直接决定了系统的性能和执法效果。

• 测速精度： 这是最重要的指标，直接关系到执法公正性。精度越高，意味着测量结果与车辆实际速度的偏差越小，从而减少争议。例如，如果要求精度是±1公里/小时，那么一辆真实速度为120公里/小时的车辆，其测得的速度应该在119到121公里/小时之间。

  • 选型建议： 必须选择经过权威计量机构认证，且精度达到±1公里/小时或更高标准的设备。执法级别应用，容不得丝毫马虎。

• 抗打滑/真实地面速度测量能力： 这是避免车轮打滑影响测速的关键。如果传感器测量的是车轮转速而不是车辆整体位移，那么在湿滑路面或急加速急减速时，速度就会不准。

  • 选型建议： 优先选择那些能够直接测量车辆真实地面速度的非接触式技术，例如雷达多普勒或激光雷达。这些技术直接感应车辆整体相对于地面的运动，与车轮的打滑状况无关，能确保测量结果的可靠性。

• 全天候工作能力： 高速公路是24小时运行的，测速系统也必须如此。它需要能应对各种极端天气（如大雨、大雪、浓雾、沙尘暴）和复杂光照条件（如强烈的逆光、完全的夜间环境）。

  • 选型建议： 雷达技术通常在全天候适应性方面表现出色，因为其电磁波穿透能力强。光学传感器（如机器视觉和部分激光雷达）在恶劣天气下性能可能受影响，需要评估其抗干扰能力和是否具备加热、除雾等辅助功能。

• 响应速度和数据更新率： 车辆在高速公路上瞬息万变，传感器必须能快速响应并持续提供更新的速度数据，才能及时捕捉到超速行为。

  • 选型建议： 建议选择数据更新率至少在10 Hz以上的传感器。更新率越高，数据越连贯，对高速移动车辆的瞬时速度捕捉越精确。

• 车道覆盖能力： 单个传感器能同时监测的车道数量，会影响整个系统的部署成本和效率。

  • 选型建议： 根据实际需要监控的车道数选择。如果一个传感器能同时覆盖多个车道，通常能有效降低总的设备和安装成本。

• 安装方式与维护成本： 传感器安装的便捷性和对交通的影响程度也很重要。非侵入式安装（如架设在龙门架或立杆上）对交通干扰小，维护也更方便。

  • 选型建议： 优先考虑非侵入式安装方案，可显著降低施工难度、交通中断风险以及未来的维护费用。

（4）实际应用中可能遇到的问题和相应解决建议

即使选择了先进的测速技术，在实际的高速公路超速抓拍应用中，仍然可能遇到一些挑战。

• 问题1：恶劣天气导致测速精度下降甚至失效。

  • 原因与影响： 大雨、大雪、浓雾或沙尘暴会散射、吸收或遮挡传感器发出的信号。对于光学传感器（如机器视觉和激光雷达），图像或激光信号可能模糊、衰减，导致车辆识别困难，测速不准甚至无法工作。雷达传感器虽然受影响较小，但在极端情况下，也可能出现信号衰减或误判。

  • 解决建议：

    • 多技术融合： 采用不同原理的传感器协同工作，例如雷达与机器视觉结合。雷达提供稳定的速度数据，机器视觉提供图像证据，互相弥补弱点，提高系统整体的鲁棒性。

    • 增强设备环境适应性： 选用具有高防护等级的传感器，确保在恶劣天气下也能保持正常工作。

    • 算法优化： 针对恶劣天气下的信号特征，开发更智能的信号处理和图像识别算法，提高在低信噪比环境下的识别和测速能力。

• 问题2：多目标车辆混淆与误判。

  • 原因与影响： 在交通流量大、车辆密集的路段，特别是有多辆车并排行驶、频繁变道或跟车过近时，传感器可能难以准确区分和锁定特定目标，可能将相邻车辆的速度误判给超速车辆，或遗漏超速车辆。

  • 解决建议：

    • 高分辨率与窄波束传感器： 选择具有更高角度分辨率和更窄检测波束的传感器，可以更精确地聚焦到单个目标，提高目标区分能力。

    • 高级跟踪与识别算法： 部署能够进行车道级区域划分，并能独立跟踪多个目标轨迹的复杂算法。这些算法能识别车辆在车道内的具体位置和运动趋势，有效避免混淆。

    • 多点位交叉验证： 在同一路段部署多个传感器，从不同角度或位置对同一车辆进行测量，通过数据交叉验证来提高测速的准确性和证据链的完整性。

• 问题3：设备易受干扰或攻击。

  • 原因与影响： 部署在户外的传感器可能受到恶意干扰、物理破坏或网络攻击，导致数据传输中断、测速失准，甚至系统瘫痪。

  • 解决建议：

    • 物理防护： 传感器应安装在坚固、防破坏的防护罩内，并固定在不易攀爬或触及的高度，防止物理破坏。

    • 电磁兼容设计： 选用具有良好电磁兼容性（EMC）的设备，减少外部电磁干扰。在部署时进行充分的现场测试，确保设备在复杂电磁环境中的稳定运行。

    • 网络安全加固： 对数据传输链路和后端系统进行加密和身份验证，防止未经授权的访问和数据篡改。定期进行安全审计和漏洞扫描。

    • 冗余与备份： 部署冗余传感器或建立数据备份机制，在部分设备受损或故障时，仍能维持系统基本运行，并能快速恢复。

4. 应用案例分享

• 高速公路交通执法： 在全国各地的高速公路主线、隧道、桥梁等重点路段，部署雷达或激光测速系统，实现对超速行为的实时监测、自动抓拍和证据留存，是维护交通秩序、保障行车安全的重要科技手段。例如，在对精度和环境适应性有较高要求的隧道环境中，可以考虑使用像英国真尚有LP-DS200这样的小型化、高防护等级的雷达测速传感器。

• 城市道路智能交通管理： 在城市主干道、快速路、匝道口安装测速传感器，实时获取车流量、车速、车道占用率等数据，为交通信号灯优化、拥堵预测和诱导、绿波带控制提供精准依据。

• 港口/物流园区车辆调度与安全： 在大型港口或物流园区的内部道路上，利用雷达传感器对进出库区的叉车、重型卡车进行速度监控，确保车辆在规定速度内行驶，防止碰撞事故发生，提高作业效率和安全性。

• 铁路列车运行安全监控： 将测速传感器安装在铁轨旁或列车底部，非接触式测量列车的真实地面速度，为列车防滑控制系统、制动性能评估及调度决策提供关键数据，保障列车安全、高效运行。