Zastosowanie nowoczesnych opraw LED w oświetleniu drogowym pozwala na znaczne oszczędności energii i może być szansą na poprawę warunków oświetleniowych na oświetlanych odcinkach dróg. Dlatego miasta, gminy i zarządcy dróg decydują się na inwestycje w nowoczesne rozwiązania oświetleniowe.
Optymalne wykorzystanie zalet nowej technologii LED i zapewnienie odpowiedniej jakości oświetlenia zagwarantuje odpowiedni brief projektowy, właściwy projekt oświetlenia i instalacji oraz, co równie ważne, narzędzia do weryfikacji zgodności inwestycji z projektem i założeniami.
Tekst autorstwa mgr inż. Krzysztofa Wandachowicza, dr inż. Małgorzaty Zalesińskiej, dr inż. Politechniki Poznańskiej, mgr inż. Jacka Dylaka, mgr inż. Mikołaja Przybyła.
Praktyka pokazuje, że wiele wysiłku wkłada się w przygotowanie specyfikacji przetargowych, które mają zagwarantować inwestorowi dostarczenie najwyższej jakości urządzeń w procesie inwestycyjnym. Pojawia się jednak pytanie, czy założenia i projekt były prawidłowe. Ponadto pojawia się kwestia, czy na etapie wykonawstwa nie wprowadzono zmian wpływających na parametry użytkowe oświetlenia. I wreszcie pojawia się kwestia weryfikacji zgodności opraw ze specyfikacją.
Jedną z metod opisanych w aktualnej normie EN 13201 jest pomiar rozkładu luminancji wytwarzanej na drodze. W niniejszym artykule przedstawione zostaną wytyczne dotyczące projektowania oświetlenia drogowego, metody i przyrządy pomiarowe, a także doświadczenia i problemy związane z wykonywaniem pomiarów w oświetleniu drogowym.
Jakiego rodzaju drogi są oświetlane i w jaki sposób weryfikowana jest jakość oświetlenia?
Europejska norma EN 13201 Oświetlenie drogowe stanowi podstawę projektowania i oceny parametrów oświetlenia drogowego. W 2014 roku Komitet Techniczny 169 "Światło i Oświetlenie" (CEN/TC169) Europejskiej Komisji Normalizacyjnej opublikował pierwszą część nowej wersji obowiązującej normy - Raport Techniczny, zawierający wytyczne i procedury doboru wymagań oświetleniowych. Pod koniec 2015 roku opublikowano pozostałe części zaktualizowanej wersji normy, w tym najnowszą - piątą, dotyczącą oceny charakterystyki energetycznej instalacji oświetlenia drogowego.
Ogólne założenia dotyczące zarówno procedur wyboru, jak i ilościowych wymagań oświetleniowych w nowej normie opierają się na publikacji Międzynarodowej Komisji Oświetleniowej z 2010 r. zatytułowanej "Oświetlenie dróg dla ruchu samochodowego i pieszego".
Wszystkie części nowej normy europejskiej zostały opublikowane między lutym a marcem 2016 roku przez Polski Komitet Normalizacyjny. Zastąpiły one poprzednią wersję normy PN-EN 13201:2007 Oświetlenie dróg. Nowa norma PN-EN 13201:2016 Oświetlenie dróg składa się z pięciu części (wszystkie opublikowane w języku angielskim):
- CEN/TR 13201-1:2016-02 Oświetlenie dróg - Część 1: Wytyczne dotyczące wyboru klas oświetlenia
- EN 13201-2:2016-03 Oświetlenie dróg - część 2: Wymagania eksploatacyjne
- EN 13201-3:2016-03 Oświetlenie dróg - część 3: Obliczanie parametrów eksploatacyjnych
- EN 13201-4:2016-03 Oświetlenie dróg - część 4: Metody pomiaru parametrów oświetlenia
- EN 13201-5:2016-03 Oświetlenie drogowe - część 5: Wskaźniki charakterystyki energetycznej
Podstawowe wymagania oświetleniowe dla dróg przeznaczonych głównie dla ruchu samochodowego przy dużych i średnich prędkościach opierają się na kryteriach związanych z poziomem i równomiernością luminancji samej drogi, jej bezpośredniego otoczenia oraz ograniczeniem olśnienia. Prawidłowo zaprojektowane oświetlenie drogowe zwiększa bezpieczeństwo kierowców i pieszych na drodze.
Metoda luminancji stosowana do oceny jakości oświetlenia drogowego ma zastosowanie do dróg klasy M. Klasa oświetlenia M jest przeznaczona do stosowania na autostradach, gdzie dozwolone są średnie i wysokie prędkości.
Średnią luminancję Lav należy obliczyć jako średnią arytmetyczną luminancji punktów siatki pola pomiarowego. Ogólną jednorodność Uo należy obliczyć jako stosunek najniższej luminancji w każdym punkcie siatki pola pomiarowego do średniej luminancji. Jednorodność wzdłużna Ul powinna być obliczana jako stosunek najmniejszej luminancji do największej luminancji w kierunku wzdłużnym osi każdego pasa ruchu.
Rozkłady luminancji należy mierzyć w polu obejmującym dwie kolejne oprawy oświetleniowe w tym samym rzędzie. Miernik powinien być umieszczony w odległości 60 m od pierwszej oprawy (rysunek 1). Punkty pomiarowe powinny być równomiernie rozmieszczone.
Rys. 1: Pole obliczeniowe luminancji, pozycje punktów obliczeniowych w pasie ruchu:
1 - krawędź pasa ruchu, 2 - ostatnia oprawa w polu pomiarowym, 3 - pole pomiarowe, 4 - oś pasa ruchu, 5 - pierwsza oprawa w polu pomiarowym, 6 - kierunek obserwacji, 7 - położenie miernika luminancji dla obserwacji wzdłużnej, x - oznaczenie punktów pomiarowych.
Miernik luminancji powinien znajdować się na wysokości 1,5 m nad poziomem drogi. W kierunku poprzecznym miernik powinien być umieszczony kolejno na środku każdego pasa drogi. Średnia luminancja i ogólna jednorodność luminancji powinny być mierzone dla całej jezdni i dla każdej pozycji miernika. Z punktu widzenia kierowcy ważny jest obszar drogi między 60 m a 160 m przed pojazdem. Przy poziomie wzroku kierowcy ustawionym na wysokości 1,5 m nad powierzchnią drogi (lub, w przypadku pomiaru, z pozycji pomiarowej), kąt między osią optyczną urządzenia pomiarowego a powierzchnią drogi zmienia się w zakresie od 1,5° do 0,5°. Wykonywanie pomiarów w tym zakresie wymaga precyzyjnego systemu, który pozwoli na zmianę nachylenia miernika z dużą rozdzielczością tak, aby nakierować pole pomiarowe na dany punkt pomiarowy znajdujący się w opisanym powyżej zakresie odległości.
Norma zaleca, aby w celu uzyskania zgodności między wartościami zmierzonymi i obliczonymi, lokalizacja punktów pomiarowych i pozycja obserwatora były takie same jak pozycje użyte w obliczeniach. Zaleca się, aby pozycje te były również zgodne z wymaganiami normy EN 13201-3. Zastosowanie takich wymagań prowadzi do następujących problemów:
tworzona jest bardzo duża liczba punktów pomiarowych,
Pomiar rozkładów luminancji staje się trudnym zadaniem. Problemy, które mogą wystąpić podczas pomiaru luminancji, są raczej związane tylko z dużą liczbą punktów pomiarowych. Z drugiej strony, problemy występujące podczas pomiarów luminancji można przedstawić w następujących punktach:
potrzeba precyzyjnego i zaawansowanego technicznie miernika luminancji, który powinien ograniczać całkowity kąt stożka pomiarowego do 2 minut łuku na powierzchni pionowej i do 20 minut łuku na powierzchni poziomej,
możliwość nakładania się pól pomiarowych z sąsiednich punktów,
problemy z precyzyjnym nakierowaniem pola obserwacji miernika na pole pomiarowe.
Rys. 2 przedstawia perspektywiczny widok drogi z gęstością punktów pomiarowych bardziej oddalonych od obserwatora.
Rys. 2. Gęstość punktów pomiarowych.
Wieloletnie doświadczenie zespołu Politechniki Poznańskiej pokazuje, że pomiary wykonywane punktowym miernikiem luminancji praktycznie uniemożliwiają wykonanie wiarygodnego pomiaru, w szczególności rozkładu luminancji, a tym samym uzyskanie obiektywnej wartości równomierności luminancji. Powyższe problemy można rozwiązać stosując miernik luminancji ILMD (Imaging Luminance Measuring Device). Działanie takiego miernika jest podobne do działania aparatu cyfrowego. Profesjonalne wersje takich mierników nie posiadają wizjera optycznego, a analizowany obraz może być wyświetlany na ekranie przenośnego komputera. Pomiary wykonywane są za pomocą
- ustawienie licznika w odpowiednim miejscu,
- oznaczenie pola pomiarowego (w tym jego wymiarów),
- pojedynczy zapis analizowanego obrazu powierzchni,
- przetwarzanie zarejestrowanego obrazu poza miejscem, w którym dokonano pomiarów.
Zespół Zakładu Techniki Świetlnej i Elektrotermii Politechniki Poznańskiej posiada wieloletnie doświadczenie w wykonywaniu pomiarów luminancji na drogach z wykorzystaniem zarówno punktowych mierników luminancji, jak i matrycowego miernika luminancji. Zastosowanie miernika ILMD znacznie ułatwia wykonywanie pomiarów i umożliwia uzyskanie bardziej wiarygodnych wyników pozwalających na obiektywną ocenę działania instalacji oświetlenia drogowego.
Zespół Politechniki Poznańskiej jest w posiadaniu jednego z najpopularniejszych mierników luminancji obrazowej. Miernik wymaga podłączenia do komputera PC, na którym uruchomione jest oprogramowanie. Program ten można wzbogacić o dodatek EN13201 Add- On umożliwiający obliczanie luminancji na drodze zgodnie z normą EN 13201.
Po wykonaniu szeregu pomiarów z wykorzystaniem tego miernika, zespół Politechniki Poznańskiej stwierdza, że obecnie dostępne mierniki luminancji nie są wystarczająco dobrze przystosowane do wykonywania pomiarów rozkładów luminancji na drodze.
Mierniki tego typu, produkowane przez różne firmy, są w zasadzie miernikami laboratoryjnymi i wykonywanie pomiarów za ich pomocą w terenie jest bardzo uciążliwe.
Projekt opracowania nowoczesnego urządzenia pomiarowego
Firma GL Optic z Centrum Badawczo-Rozwojowym w Polsce, specjalizująca się w produkcji urządzeń do pomiaru oświetlenia, współpracuje z Politechniką Poznańską na etapie prac badawczo-rozwojowych i badań przemysłowych w ramach projektu: "Opracowanie systemu do obrazowego pomiaru luminancji", który jest współfinansowany przez Unię Europejską ze środków Europejskiego Funduszu Rozwoju Regionalnego w ramach Programu Inteligentny Rozwój. Projekt realizowany jest w ramach programu Narodowego Centrum Badań i Rozwoju "Szybka Ścieżka".
Projekt zakłada prace nad systemem pomiarowym umożliwiającym pomiar rozkładu luminancji. Efektem prac będzie opracowanie kompleksowego systemu do obrazowego pomiaru luminancji ze szczególnym uwzględnieniem pomiarów oświetlenia drogowego zgodnie z wymaganiami normy PN-EN 13201 oraz w zastosowaniach laboratoryjnych.
W ramach projektu opracowana zostanie metoda adaptacji własnej ekspozycji. Metoda ta będzie oparta na programie analizującym pole widzenia miernika w czasie rzeczywistym i eliminującym z analizy pola o wysokim poziomie luminancji (głównie oprawy oświetleniowe). Pozwoli to na precyzyjne dostosowanie czasu ekspozycji matrycy do zakresu luminancji występujących na mierzonej powierzchni drogi.
Pomiary rozkładu luminancji na drodze powinny być wykonywane poprzez umieszczenie miernika na środku pasów ruchu. Możemy mieć do czynienia z różną liczbą pasów ruchu i ich różną szerokością. Jednym z zadań projektu będzie opracowanie układu optycznego miernika, który umożliwi wykonywanie pomiarów z odpowiednią rozdzielczością kątową odpowiadającą rozdzielczości ludzkiego oka w warunkach adaptacji do poziomów luminancji występujących na drodze oświetlonej światłem sztucznym. Jak podają autorzy projektu, ich decyzja o podjęciu prac nad nowym miernikiem podyktowana jest faktem, że obecnie dostępne na rynku mierniki luminancji nie uwzględniają powyższych założeń.
Ważnym zadaniem projektu będzie opracowanie systemu pomiarowego składającego się nie tylko z obrazowego miernika luminancji, ale także z urządzeń peryferyjnych umożliwiających wygodny pomiar rozkładu luminancji na drogach, niewymagający specjalistycznej wiedzy. Dostępne na rynku mierniki luminancji obrazowej są drogie, skomplikowane w obsłudze i nie w pełni przystosowane do wykonywania pomiarów luminancji na drogach zgodnie z wymaganiami normy PN-EN 12301. Opracowany system umożliwi wykonywanie skutecznych pomiarów przez operatorów, którzy nie posiadają wiedzy akademickiej.
Nowy system będzie obejmował:
- niezawodne zasilanie,
- znaczniki umożliwiające oznaczenie pola pomiarowego,
- optyka dostosowana do pola pomiarowego,
- zintegrowany moduł umożliwiający sprawne i szybkie ustawienie systemu pomiarowego w danej pozycji przez jedną osobę, z uwzględnieniem wymagań normy EN 12301,
- wygodny system pomiaru odległości między licznikiem a początkiem pola pomiarowego,
- przyjazne oprogramowanie umożliwiające wydajne, wygodne i szybkie uzyskiwanie wyników oceny jakości oświetlenia drogowego zgodnie z normą EN 12301 w czasie rzeczywistym.
Pomiary za pomocą urządzenia do pomiaru luminancji - ważne aspekty
Aby prawidłowo zmierzyć rozkład luminancji na drodze zgodnie z wymaganiami normy, należy wybrać pole pomiarowe między dwiema kolejnymi oprawami oświetleniowymi. Mierzony odcinek drogi powinien być prosty. W praktyce rzadko się to zdarza. Należy wybrać odcinek drogi z jak najmniejszą liczbą pasów, a podczas analizy wyników pomiarów sprawdzić, czy punkty pomiarowe nie pokrywają się z oznaczeniami drogowymi, np. liniami rozdzielającymi pasy ruchu. Ponadto droga za polem pomiarowym powinna być oświetlona w odległości co najmniej dwunastokrotności wysokości słupa lampy.
Kolejnym ważnym krokiem jest prawidłowe oznaczenie pola pomiarowego. Znaczniki pola pomiarowego powinny wyraźnie wskazywać rzeczywiste granice mierzonego obszaru. Jest to niezbędne do pozycjonowania punktów obliczeniowych podczas analizy obrazu zarejestrowanego za pomocą matrycowego miernika luminancji.
Kolejną rzeczą, na którą należy zwrócić uwagę, jest pozycja miernika podczas pomiarów. Miernik powinien być umieszczony na środku każdego pasa ruchu na wysokości 1,5 m nad powierzchnią drogi i 60 m przed polem pomiarowym, a zastosowana optyka musi umożliwiać pomiar luminancji na całej szerokości mierzonej drogi.
Wreszcie, przed wykonaniem pomiaru należy wybrać odpowiedni czas ekspozycji w zależności od poziomu luminancji pola pomiarowego.
Podsumowanie
Weryfikacja założeń projektu polegająca na ocenie parametrów oświetlenia na drodze jest możliwa dzięki zastosowaniu wysokiej klasy mierników przystosowanych do tych celów. Wybór miernika jest szczególnie istotny w przypadku pomiarów luminancji, gdyż są to pomiary trudne, czasochłonne i wymagające zatrzymania ruchu w trakcie przygotowania i pomiaru. W tej sytuacji najlepszym rozwiązaniem jest wykorzystanie do pomiarów systemu pomiarowego składającego się z obrazowego miernika luminancji z odpowiednio dobraną optyką i przyjaznym dla użytkownika oprogramowaniem, oceniającym parametry na drodze zgodnie z wymaganiami normy EN 13201:2016.
Sprawne wykonywanie pomiarów będzie możliwe, jeżeli system zostanie wyposażony w dodatkowe elementy, takie jak: znaczniki do oznaczania pola pomiarowego, urządzenie do pomiaru odległości miernika od pola pomiarowego, zintegrowany moduł do ustawiania miernika na odpowiedniej wysokości i pozycji za pomocą komputera. Kompaktowa forma systemu pomiarowego umożliwi szybki i sprawny pomiar rozkładu luminancji na drodze tylko przez jedną osobę oraz zminimalizuje uciążliwości związane z ograniczeniem ruchu pojazdów podczas pomiarów, jeżeli pomiary będą wykonywane na drogach będących w eksploatacji.
Obrazujące urządzenie do pomiaru luminancji
GL OPTICAM 3.0 4K TEC - Innowacyjne narzędzie do pomiaru luminancji oświetlenia drogowego
Obrazujące urządzenie do pomiaru luminancji z optyką do szerokiego zakresu zastosowań: ogólne pomiary oświetlenia, w tym lamp i opraw LED, chipów i modułów LED, audyty oświetlenia wewnętrznego i zewnętrznego, a także audyty oświetlenia drogowego.
- Skalibrowana i wyposażona w filtr korekcyjny V-Lambda oraz czuły przetwornik obrazu CMOS.
- Rejestruje obrazy i szybko oblicza luminancję w każdym punkcie obrazu, wszystko w jednej klatce i w jednym pomiarze.
- Oprogramowanie analityczne zapewnia przyjazny dla użytkownika, intuicyjny interfejs do przetwarzania zarejestrowanych danych i tworzenia raportów pomiarowych.
- Może być podłączony do spektrometru, umożliwiając jednoczesne zbieranie danych spektralnych, kolorymetrycznych i luminancji.
