z. 121 Transport 2018
Piotr Jaskowski, Piotr Tomczuk
Politechnika Warszawska, Wydział Transportu
USTALENIE KLASY LUMINANCYJNEJ JEZDNI
Z WYKORZYSTANIEMALTERNATYWNYCH
NARZĘDZI POMIAROWYCH
Rękopis dostarczono: kwiecień 2018 r.Streszczenie: Kontrola stanu oświetlenia drogi jest kluczowym czynnikiem utrzymania wysokich standardów oświetlenia oraz bezpieczeństwa ruchu zarówno kierowców, jaki pieszych. Obecnie prowadzone pomiary oświetlenia ulicznego mają miejsce głównie przy odbiorze nowoprojektowanych instalacji. Niezbędna jest także kontrola stanu oświetlenia eksploatowanych już instalacji pod kątem utrzymania założonych parametrów oświetlenia i przeprowadzenia ewentualnej ich konserwacji. W artykule przedstawiono sposób pomiaru luminancji za pomocą miernika punktowego i matrycowego w kontekście wymagań normatywnych.
Słowa kluczowe: oświetlenie uliczne, pomiary luminancji, bezpieczeństwo
1. WSTĘP
Oświetlenie, jako element infrastruktury drogowej może znacząco wpłynąć na poziom bezpieczeństwa uczestników ruchu drogowego. Według badań poprawa warunków oświetleniowych w otoczeniu drogi może przełożyć się na redukcję wypadków w porze nocnej o 10 – 40 % [1÷5]. Dlatego istotnym zagadnieniem jest prawidłowe zaprojektowanie, zainstalowanie oraz eksploatacja oświetlenia drogowego. Ważnym elementem w procesie dopuszczenia do eksploatacji instalacji oświetlenia drogowego jest wykonywanie pomiarów oświetlenia (luminancji bądź natężenia oświetlenia), które pozwalają na weryfikację parametrów oświetleniowych zaprojektowanej instalacji oraz na dalszym etapie eksploatacji ocenę jej stanu. Kompleksowe wymagania normatywne dotyczące stanu oświetlenia dróg są opisane w raporcie technicznym (CEN/TR) oraz normie PN-EN13201:2016.Zarówno aktualna norma [6÷10], jak i ta z 2007 roku umożliwia posłużenie się parametrami iluminacyjnymi (klasy M) alternatywne do kryterium natężenia oświetlenia (klasy C) w kontekście doboru klasy oświetleniowej. Formalnie wymagania w zakresie oświetlenia dróg składają się z pięciu części:
- CEN/TR 13201–1:2016–02 Oświetlenie dróg – Część 1: Wytyczne dotyczące wyboru klas oświetlenia,
- PN–EN 13201–3:2016–03 Oświetlenie dróg – Część 3: Obliczenia parametrów oświetleniowych,
- PN–EN 13201–4:2016–03 Oświetlenie dróg – Część 4: Metody pomiaru efektywności oświetlenia,
- PN–EN 13201–5:2016–03 Oświetlenie dróg – Część 5: Wskaźniki efektywności energetycznej.
Klasa oświetleniowa determinuje wartość parametrów fotometrycznych jakimi powinna cechować się droga. Wybór klasy jest wypadkową czynników takich jak: struktura rodzajowa uczestników ruchu, dopuszczalna prędkość maksymalna, natężenie ruchu, czy też warunki środowiskowe. W przypadku dróg o średnich lub wysokich prędkościach stosuje się luminacyjną klasę oświetleniową M (dawniej ME), natomiast dla obszarów przecinania się potoków ruchu należy stosować klasę C (dawniej CE) opisaną parametrami natężenia oświetlenia.
W kontekście parametrów fotometrycznych dla oświetlenia ulic i dróg w klasie M[6]przyjmuje sięnastępujące kryteria projektowania i oceny stanu oświetlenia:
x średnia wartość luminancji jezdni Lśr[cd/m2],
x równomierność całkowita rozkładu luminancji jezdni UO [-], x równomierność wzdłużna rozkładu luminancji jezdni Ul [-],
x przyrost wartości progowej kontrastu, związany z poziomem olśnienia przeszkadzającego fTI [%],
x współczynnik oświetlenia poboczy jezdni REI.
Dodatkowo rozróżnia się wymagania w zależności od stanu nawierzchni (sucha, mokra).W tabeli 1 przedstawiono wymagane, minimalne wartości parametrów fotometrycznych dla dróg z klas oświetleniowych M [6].
Tablica 1
Parametry klas oświetleniowych M
Klasa Luminancja suchej i mokrej jezdni drogi Olśnienie Oświetlenie otoczenia Sucha nawierzchnia Mokra
nawierzchnia Sucha nawierzchnia Sucha nawierzchnia ܮതw cd/m2 [utrzymywane minimum] Uo [minimum] UI* [minimum] UoW** [minimum] fTI*** [maximum] % REI**** [minimum] M1 2,00 0,4 0,7 0,15 10 0,35 M2 1,50 0,4 0,7 0,15 10 0,35 M3 1,00 0,4 0,6 0,15 15 0,30 M4 0,75 0,4 0,6 0,15 15 0,30 M5 0,5 0,35 0,4 0,15 15 0,30 M6 0,3 0,35 0,4 0,15 20 0,30
* równomierność wzdłużna UL - pomiar powtarzalnych jasnych i ciemnych obszarów na powierzchni drogi. Powinien być uwzględniony jedynie dla długich odcinków dróg. Zdefiniowano wartości minimalne równomierności, które mogą zostać zmienione uzasadnionych przypadkach (analiza układu drogowego oraz określonych wymogów krajowych).
** kryterium tylko dla mokrej nawierzchni. Może być stosowane dodatkowo dla kryteriów dotyczących nawierzchni suchej, zgodnie ze szczegółowymi wymogami krajowymi. Wartości podane w kolumnie mogą zostać zmienione w przypadku, gdy mają zastosowanie szczególne wymogi krajowe.
*** wartości z tej kolumny są zalecanymi maksymalnymi wartościami dla danej klasy oświetleniowej. Mogą zostać zmienione jeżeli zastosowanie mają określone wymagania krajowe.
**** to kryterium może być stosowane jedynie wówczas, gdy nie istnieją obszary ruchu o własnych wymaganiach znajdujące się w sąsiedztwie jezdni. Podane wartości są tymczasowe i mogą zostać zmienione w przypadku, gdy określone zostaną szczegółowe wymagania dotyczące krajowych lub indywidualnych systemów. Wartości te mogą być wyższe lub niższe niż podane, jednakże należy zwrócić uwagę na zapewnienie wystarczającego oświetlenia obszarów.
2. METODY POMIARU
Mierniki luminancji zasadniczo można ogólnie podzielić na dwie grupy: punktowe i matrycowe (rys. 1). W przypadku mierników punktowych można wyróżnić szeroki zakres wielkości pola pomiarowego. O klasie miernika decyduje najniższa wielkość kątowa pola pomiarowego ( np. 0,1°), błąd niedopasowania widmowego oraz liniowość charakterystyki przetwarzania. Najprostsze urządzenia mają rozmiar kątowy równy 100, a te najbardziej zaawansowane 6’.
Rys. 1. Przykład mierników do pomiaru luminancji: punktowy (po lewej) oraz matrycowy (po prawej)
Źródło: opracowanie własne.
Przy użyciu miernika punktowego pomiar luminancji jest wykonywany poprzez porównanie wyniku z wzorcem luminancji (najczęściej wbudowanym lub kalibracyjnym). Pomiar miernikiem klasycznym, poza pozytywnymi cechami wynikającymi z dopasowania widmowego i małego pola pomiarowego posiada także cechy negatywne. Minusem tej metody pomiarowej jest czasochłonność i niska powtarzalność z uwagi na pojedyncze rejestracje dla każdego z punktów siatki pomiarowej, dodatkowo pomiar wymaga wyłączenia z ruchu badanego odcinka drogi. Ponadto należy zachować szczególną staranność w zachowaniu położenia punktów względem siatki pomiarowej.
W przypadku użycia miernika matrycowego kosztem dokładności (zależnego od szeregu czynników kalibracyjnych matrycy i układu optycznego), redukuje się czas pomiaru, który sprowadza się do wykonania wielu rejestracji dla danego pola pomiarowego (obrazów luminancji), a w dalszej kolejności uzyskanie transformaty siatki pomiarowej poprzez użycie specjalistycznego oprogramowania.
Zasada działania miernika matrycowego polega na przypisaniu do każdego z pixela rejestrowanego obrazu, wartości w współrzędnych RGB. Wyskalowana ze wzorcem matryca i układ optyczny pozwala korelować otrzymaną wartość z poziomami luminancji zgodnie ze wzorem (1).
ܭ ൌ ேೞమ
ೞ௧ௌೄೀ (1)
gdzie:
ܭ – kalibracja miernika,
ܰௗ – wartość jednego pixela zdjęcia luminancji, liczona wedle standardów IEC i opisana
równaniem (2),
݂௦ – stała związana z przesłoną, ܮ௦ – wartość luminancji, ݐ – czas ekspozycji, ܵூௌை – stała wartość ISO
ܰௗൌ ͲǤʹͳʹܴ ͲǤͳͷʹܩ ͲǤͲʹʹܤ (2)
gdzie:
R, G, B – cyfrowe wartości dla poszczególnych kanałów (czerwony, zielony, niebieski) zarejestrowane przez kamerę IEC(1999)[11].
Niezależnie od zastosowanego miernika, procedura pomiaru luminancji [8] zakłada wyznaczenie dla badanego obszaru siatki pomiarowej wartości luminancji punktów wskazanych w normie [7]. Pozycja głowicy pomiarowej miernika powinna znajdować się na wysokości 1,5 metra nad powierzchnią jezdni, natomiast pozycja obserwatora winna się znajdować 60 metrów przed polem pomiarowym zgodnie z rysunkiem 2. Pomiar przeprowadza się z pozycji obserwatora niezależnie dla każdej jezdni, a wyniki oblicza się zgodnie z wskazaniami normy [7].
Rys. 2. Obliczanie pozycji punktów siatki pomiarowej (S – odległość między oprawami, N liczba punktów obliczeniowych w kierunku wzdłużnym, WL- szerokość pasa w metrach) [7]
3. PRZYKŁAD POMIARU OŚWIETLENIA ULICZNEGO
W poniższym rozdziale przedstawiono przykład pomiaru luminancji na drodze ekspresowej wykonany za pomocą miernika matrycowego LMK oraz punktowego Konica Minolta CS200 dla tych samych punktów siatki pomiarowej. Zgodnie z przyjętymi w normie wymaganiami, pomiar wykonywany był z pozycji miernika usytuowanego 1,5
metra nad jezdnią z odległości 60 metrów od początku obszaru. Obszar pomiarowy znajdował się pomiędzy słupami, na których zawieszono oprawy oznaczone symbolami A1 i A2. Szkic odcinka pomiarowego przestawiono na rysunku nr 3.
Obrazy rozkładu luminancji na nawierzchni drogi dla dwóch pozycji obserwatora przestawiono na rysunkach 5 i 7. Obok zdjęć obrazów luminancji znajduje się skala liniowa o zakresie 0 ÷ 5 cd/m2. Na rysunkach 6 i 8 przedstawiono transformowany widok z góry obszaru pomiarowego z naniesiona siatką pomiarową.
Rys.3. Szkic odcinka pomiarowego Źródło: opracowanie własne.
Rys.4.Widok obszaru pomiarowego z pozycji obserwatora 1 (po lewej) oraz 2 (po prawej) Źródło: opracowanie własne.
Rys.5.Rozkład luminancji obszaru pomiarowego 1 z pozycji obserwatora 1. Skala liniowa, jednostka [cd/m2]
Rys.6.Transformowany do widoku z góry rozkład luminancji dla obszaru pomiarowego 1 z pozycji obserwatora 1 z naniesioną siatką pomiarową. Skala liniowa, jednostka [cd/m2].
Źródło: opracowanie własne.
Rys.7.Rozkład luminancji obszaru pomiarowego 1 z pozycji obserwatora 2.Skala liniowa, jednostka [cd/m2].
Źródło: opracowanie własne.
Rys.8.Transformowany do widoku z góry rozkład luminancji dla obszaru pomiarowego 1 pozycji obserwatora 2 z naniesioną siatką pomiarową. Skala liniowa, jednostka [cd/m2].
Do obliczeń parametrów badanej drogi posłużono się siatką pomiarową składającą się z 132 punktów pomiarowych (12 x 11, odległość pomiędzy punktami pomiarowymi wzdłuż jezdni wynosi 7 m, w poprzek 1 m, w celu porównania wyników świadomie zagęszczono siatkę).Otrzymane dane w postaci wartości luminancji zostały wyeksportowane do programu kalkulacyjnego, gdzie uzyskano końcowe wyniki rozkładu luminancji w punktach pomiarowych siatki. Wartości naniesiono schematycznie na rysunek drogi dla dwóch pozycji obserwatora (rys. 9).
Wyniki obliczeńzgodne z wymogami normy [3] dla dwóch pozycji obserwatora 1 i 2 oraz całej nawierzchni jezdni zestawiono i zaprezentowano w sposób zbiorczy w tabeli 2. Przedstawienie szczegółowych danych pomiarowych może być wykorzystane do potwierdzenia wyników obliczeń symulacyjnych uzyskanych z programów wspomagających projektowanie oświetlenia.
Tablica 2
Wyniki pomiarów luminancji L.p. Nazwa parametru Wynik miernik
matrycowy
Wyniki miernik punktowy
Jednostka 1 Luminancja minimalna 1 pasa
jezdni
1,486 1,2 cd/m2
2 Luminancja maksymalna 1 pasa jezdni
2,893 2,9 cd/m2
3 Luminancja średnia 1 pasa jezdni 2,063 2,1 cd/m2
4 Całkowita równomierność wzdłużna luminancji 1 pasa jezdni
0,844 0,8 -
5 Równomierność ogólna 1 pasa jezdni
0,720 0,7 -
6 Luminancja minimalna 2 pasa jezdni
2,462 2,5 cd/m2
7 Luminancja maksymalna 2 pasa jezdni
4,685 4,7 cd/m2
8 Luminancja średnia 2 pasa jezdni 3,313 3,4 cd/m2
9 Całkowita równomierność wzdłużna luminancji 2 pasa jezdni
0,712 0,7 -
10 Równomierność ogólna 2 pasa jezdni
0,743 0,7 -
11 Luminancja minimalna całej jezdni 1,486 1,4 cd/m2
12 Luminancja maksymalna całej jezdni
4,685 4,6 cd/m2
13 Luminancja średnia całej jezdni 2,688 2,7 cd/m2
14 Całkowita równomierność wzdłużna luminancji całej jezdni
0,778 0,8 -
Rys.9.Uzyskane wyniki luminancji dla dwóch pozycji obserwatora [cd/m2], przykład wyników
w metodzie luminancyjnej Źródło: opracowanie własne.
4. PODSUMOWANIE
Sposób przeprowadzenia pomiarów luminancji jezdni warunkuje wybór typu miernika. Z jednej strony klasyczne mierniki punktowe, charakteryzuję się wysoką dokładnością pomiaru, natomiast sam pomiar jest niemożliwy do przeprowadzenia w krótkim czasie w warunkach rzeczywistego ruchu ulicznego. Wymaga uprzednio wyłączenia powierzchni badanej z ruchu pojazdów na cały kilkugodzinny okres czasu niezbędny do przeprowadzenia pomiarów. Sam pomiar z uwagi na zachowanie położenia punktów siatki pomiarowej cechuje się niską powtarzalnością. Dlatego coraz częściej stosuje się mierniki matrycowe, które kosztem dokładności pozwalają na dużo szybsze wykonanie pomiaru.
Przeprowadzone pomiary fotometryczne zostały wykonane w zgodności z wymaganiami aktualnej normy [5] oraz pozwoliły na jednoznaczną ocenę stanu oświetlenia nawierzchni drogowej. W przypadku pomiaru luminancji miernikiem matrycowym droga musi być zamknięta jedynie na krótki czas pomiaru wynoszący ok 10 minut. Porównując wymagania normy zawarte w tabeli 1 z otrzymanymi wynikami pomiarów (tabela 2) należy stwierdzić, że jakość oświetlenia odcinka drogowego jest dobra (dla klasy M1 Lśr = 2,688 (2,723) cd/m2Ӌ2 cd/m2założone wymaganiach oraz odpowiednio: U0 = 0,778 (0,791)Ӌ0,4; Ul = 0,732(0,739) Ӌ0,7).
Jak wykazano pomiar wykonany za pomocą alternatywnych narzędzi pomiarowych pozwolił na uzyskanie zbliżonych wyników pomiarów luminancji jezdni i przyjęcie identycznej klasy oświetleniowej.
Prowadzenie oświetleniowych badań odbiorczych oraz kontrolnych powinno być podstawą do dopuszczenia do eksploatacji instalacji oświetleniowej.
Bibliografia
1. Elvik R, Vaa T, Høye A, Erke A, Sørensen M (eds) (2009) The handbook of road safety measures, 2nd revised edn. Elsevier, Amsterdam
2. Wanvik PO (2009) Effects of road lighting: an analysis based on Dutch accident statistics 1987 – 2006. AccidAnalPrev 41:123–128
3. Bullough J, Donnell E, Rea M. 2013. To illuminate or not to illuminate: roadway lighting as it affects traffic safety at intersections. AccidentAnalPrev. 53:65–77
4. Donnell ET, Porter RJ, Shankar VN. 2010. A framework for estimating the safetyeffects of roadwaylightingatintersections. SafetySci. 48:1436–1444
5. Smadi O, Hawkins N, Aldemir-Bektas B. 2011. Roadway lighting and safety: phase II—monitoring quality, durability and efficiency. I. Ames (IA): IHRB Project TR-601. 46 p.
6. CEN/TR 13201–1:2016–02 Oświetlenie dróg – Część 1: Wytyczne dotyczące wyboru klas oświetlenia, 7. PN–EN 13201–2:2016–03 Oświetlenie dróg Część 2: Wymagania eksploatacyjne,
8. PN–EN 13201–3:2016–03 Oświetlenie dróg – Część 3: Obliczenia parametrów oświetleniowych, 9. PN–EN 13201–4:2016–03 Oświetlenie dróg – Część 4: Metody pomiaru efektywności oświetlenia, 10. PN–EN 13201–5:2016–03 Oświetlenie dróg – Część 5: Wskaźniki efektywności energetycznej. 11. IEC, 1999. IEC 61966-2-1. Multimedia Systems and Equipment – Colour Measurements and Management – Part 2–1: Colour Management – Default RGB Color Space – sRGB, International Electrotechnical Commission: Geneva, Switzerland, 13 pages.
DETERMINATION OF THE ROAD LUMINANCE CLASS USING ALTERNATIVE MEASURING TOOLS
Summary: Control of road lighting condition is a key factor in maintaining high standards of lighting and traffic safety for both drivers and pedestrians. Currently, street lighting measurements are taking place mainly at the reception of newly designed installations. It is also necessary to control the lighting status of already operating installations in order to maintain the assumed lighting parameters and carry out their possible maintenance. The article presents the method of measuring luminance using a point and matrix meter in the context of normative requirements.
