道路交通事故已成为世界第一公害,全世界在道路交通事故中每年约有130万人死亡,200～500万人受伤。对发展中国家而言,每年的经济损失高达六千多亿元。在交通事故中,车辆碰撞速度是非常重要的指标,直接影响交通伤害与财产损失的严重度。因此,在交通伤害机理研究、道路交通法律规范、交通事故的责任认定等方面,车辆碰撞速度都扮演十分重要的角色。交通事故中的车辆速度鉴定方法一直以来都是研究热点与难点。传统的速度鉴定多基于路面上轮胎制动痕迹、事故车辆的变形量、散落物以及车体或轮胎擦痕、行人的抛距、人体损伤的特点等。随着ABS和柏油路面的逐步普及,各种不确定因素增多,刹车痕迹勘察难度越来越大,速度鉴定工作面临极大的挑战,因此急需引入新的车辆速度鉴定方法。本课题是作者导师团队在开展交通事故司法鉴定中,偶然观察到事故车辆的车速表指针存在卡位现象,由此提出指针痕迹假设。因速度表指针为一悬臂梁,如果车辆碰撞时的减速度足够大,则车速表指针在盘面上会留下相应的印迹。若能将这类痕迹有效显现并提取作为证据固定,则可利用此痕迹快速鉴定车辆的碰撞速度。基于此,本研究通过车速表撞击实验研究验证上述假设,并对其造痕机理进行探讨。鉴于多数情况下指针印迹十分微弱,肉眼识别难度很大,为提高显现率以扩大提取范围,本研究还采用了多光谱检测技术、特定的图像增强技术和水分子覆膜增强显现技术,建立了能有效提高指针印迹检出率的方法。最后从真实交通事故中选择多起典型案例进行分析,就其适用范围进行深入探讨,并建立指针痕迹形态学图谱,以供碰撞速度鉴定应用。全文分为三个部分。(一)第一部分,指针痕迹假设的实验研究与力学模型分析。首先,为了验证指针痕迹存在的假设,本研究从冲击与振动原理着手,以常见的机械式车速表指针悬臂梁结构作为研究主体,通过高速摄像实时观测不同碰撞速度或减速度下指针运动和盘面振动,对碰撞瞬间指针与盘面受力关系与造痕位置进行了分析。由减速度波形可知,减速度影响指针与盘面的撞击接触。指针做扭转悬臂梁振动。垂直于盘面方向的悬臂梁振动幅度明显大于水平方向的扭转幅度。在撞击瞬间,车速表盘面隆起,作类似鼓面膜状振动。实验中观察到的指针与盘面的实际接触部位为指针尖部。只要转轴高度不超过指针和盘面的振幅叠加范围,指针将与盘面发生接触,并留下撞击痕迹。并由此提出假设二(可能存在独立于针尖痕迹之外的针杆中部印痕)。车速仪指针撞击痕迹的形成机理涉及到指针振动和车速表盘面振动的相互作用,其理论实质在于振幅的叠加效应。因振幅的叠加位在现实中的不可超越性,导致物体之间发生“接触-碰撞-挤压-印痕-分离”。这一作用过程亦可推广到痕迹学领域中有关印压痕迹的形成机制。通常认为悬臂梁远端(即针尖部位)振幅大,容易发生接触,形成痕迹。但实验中观察到,在中高速撞击下悬臂梁的运动是一复杂的往复运动,盘面也在作往复运动,且振动幅度和频率也不尽相同,从而使悬臂梁中段与盘面也发生接触或碰撞而在悬臂梁中段位置的盘面上留下痕迹。本实验研究除了纠正前人在这一问题上的不完整看法,还据此提出新的假设(将通过第三部分实案分析进行验证)。(二)第二部分,指针痕迹光学显现与图像提取的关键技术研究。为了对实案样本数据进行有效分析,必须对指针痕迹显现与提取的关键技术进行研发。首先采用多波段光谱与特定的图像处理技术,对疑似痕迹的部位进行全方位多光谱分析,筛选出适合指针痕迹图像采集的最佳方案。尤其对紫外荧光痕迹进行了深入探讨,并建立了激光与其它多光谱光源(例如多波长LED光源等)的技术替代方法,解决体积和功耗等问题,使之满足本课题图像采集与处理的需要。本技术是作为第三部分实案样本数据采集中第一实验组与第三实验组不可或缺的关键技术。其次,对于使用多光谱技术也难以检测到的痕迹,则进行了特殊的水分子覆膜法增强痕迹显现,并及时采集图像进行固定。本技术同样适用于路面潜在轮胎痕迹的增强显现。本技术是作为第三部分实案样本数据采集中第一实验组与第二实验组的补充技术。此外,在三维几何光学测量技术方面,对事故现场的三维摄影测量与重建技术进行了宏观与微距的深入探索。宏观上,以本技术替代传统现场勘查中的卷尺测量与手工绘制(作为第三部分实案样本数据采集中第二实验组的补充技术)。研制了十字标与锥形标,并与传统点标进行了误差分析和精度比较。不仅有效提高了误差率,且精度远高于同类研究。本技术同样适用于微距测量,作为第三部分指针同一认定测量中的补充技术,其结果在指针测量上,比普通毫米级直尺测量更精确更便捷。上述三种技术还有各自具备独立的应用价值,不仅适用于指针痕迹,还能用于其它痕迹类型的显现与提取,或用于其它工程实践。(三)第三部分,实案样本分析与指针痕迹形态学图谱。首先,对从真实案例中采集到的59个随机样本进行痕迹有效性研究。为了保证结果的准确性,将课题组分为相互独立的三个组。第一组利用多光谱技术与水分子覆膜增强技术对指针痕迹进行读取,并将其速度值结果记录在特定的标签下。第二组负责从现场采集案件信息,采用传统方法对车速进行计算,并将其速度值结果记录在同一个特定的标签下。第三组负责管理标签下记录的两组数据值,汇总分析。结果表明,正面碰撞中获得的指针痕迹速度值明显比传统算法精确,可作为真实车速进行鉴定。侧面碰撞的痕迹结果与传统结果有一部分交叉,需结合其它信息认定车速。追尾或其它碰撞情况,实案中暂未发现指针痕迹的存在,因此无法得出结论。在实案获取的阳性结果中,最低车速为42 km/h,这一结论将本研究的应用范围从高速撞击延伸到常速交通事故范畴。其次,在确证实案样本结果有效的基础上,对阳性结果进行了不同标准的形态学分类,并有效解决了本课题第一部分研究中所遗留的新假设验证问题。指针痕迹可分为针尖痕迹与针杆印痕;单一痕迹与多重痕迹;擦划痕迹与印压痕迹;可见光痕迹与荧光痕迹。它们各自具备形态学上的独立属性,对观测者而言,能够有效识别。最后,作为物证痕迹研究不可或缺的一部分,必须对实案采集到的指针痕迹进行同一认定与真伪辨识。不是所有的指针痕迹都能进行同一认定,但对于部分清晰的针杆痕迹,能够通过微距测量与痕迹比对进行针杆与印痕的同一认定。真实的针尖痕迹是不规则的短曲线,与伪造的点状痕迹有明显不同。除非卸下车速表,否则无法伪造针杆印痕。而针尖擦划痕迹的真伪辨别则较为困难。在连续撞击下,存在多重指针痕迹,可通过能量耗损前后的不同表现形态,对撞击的先后次序进行判别。鉴于指针的轴高、盘面材料与撞击类型都会对痕迹形态造成一定影响,实践中需要结合其它信息对痕迹真伪进行判定。综上所述,通过对指针痕迹进行实验研究与实案分析,本课题首先建立了一种可靠、实用的车辆碰撞速度鉴定的新方法。其次,纠正了前人在造痕部位与力学关系上的错误理解,并提供了一种将振动方式与痕迹图谱相关联的途径,丰富了振动力学与痕迹形态学的理论研究。再次,率先对指针痕迹进行了详细的图谱绘制与真伪鉴识。另外,多光谱技术、水分子覆膜技术与平面图像的三维测量等关键技术的引入,大大提高了指针痕迹的检出率和鉴定结果的准确性。虽在本课题以上方面有所创新,但仍有一定的不足之处。由于同类研究文献较少,实案样本随机分布较散且难以控制,而实车碰撞实验验证难度亦较大。因此,对于本课题研究过程中发现的部分疑难问题,例如指针的卡位与碰撞速度的量效关系,某种盘面材质与特定光谱的反射关系,以及撞击速度与痕迹形态的具体关联,还需进行更深入的研究。本课题所建立的方法,仅用于中高车速正面碰撞事故车辆的车速鉴定,而对侧碰、追尾和低速正面碰撞的车速鉴定暂不适用。