OŚWIETLENIE W SYSTEMIE MONITORINGU STANU NAWIERZCHNI JEZDNI

No 88 Electrical Engineering 2016

__________________________________________

* Politechnika Poznańska.

** Politechnika Warszawska.

Przemysław SKRZYPCZAK*

Andrzej POŻARYCKI*

Krzysztof MACIOŁEK*

Michał WYCZAŁEK*

Marcin WESOŁOWSKI**

Klaudia BUDYCH*

OŚWIETLENIE W SYSTEMIE MONITORINGU STANU NAWIERZCHNI JEZDNI

W artykule przedstawiono koncepcje oświetlenia nawierzchni jezdni w celu dokona- nia analizy i rejestracji stanu nawierzchni jezdni. Skupiono się na spełnieniu istotnych parametrów elektrycznych i oświetleniowych przy jednoczesnym zachowaniu możli- wych do spełnienia warunków technicznych. Istotne aspekty dotyczące oświetlenia spełniono przy wykorzystaniu diod elektroluminescencyjnych wyposażonych w syste- my optyczne w postaci soczewek w różny sposób kształtujących bryłę fotometryczną.

Wykorzystano charakterystyczną cechę diod – możliwość prawie bezzwłocznego załą- czania z dużą częstotliwością zsynchronizowaną z chwilą wykonywania fotografii na- wierzchni. Wykorzystanie kamery umożliwiło uzyskanie dużej liczby zdjęć o bardzo krótkim czasie „naświetlania” w połączeniu z przedstawionym oświetleniem pozwoli na uzyskanie podczas ruchu pojazdu analizującego jednolitych, cyklicznych zdjęć na- wierzchni jezdni.

SŁOWA KLUCZOWE: oświetlenie stroboskopowe, analiza stanu nawierzchni jezdni

1. WPROWADZENIE

Monitoring stanu nawierzchni sprowadza się przy dokonywanej w pewnych odstępach czasu diagnostyki jej nawierzchni. Składają się na nią następujące czynności

– diagnoza czyli określenie aktualnego stanu nawierzchni,

– geneza czyli określenie zaistnienia obecnego stanu nawierzchni – określenia powodów jej degradacji,

– prognoza czyli określenie przyszłych zmian i czasu ich zaistnienia [3, 4, 5].

W artykule skupiono się na pierwszych czynnościach diagnostycznych, a mianowicie na zapewnieniu podczas zbierania informacji obiektywnych i niezmiennych w czasie warunków oceny stanu technicznego nawierzchni.

Diagnozie podlega najczęściej pewien odcinek drogi lub cała jej długość, przy czym nie powinna być ona mniejsza niż 5m bądź obszar skrzyżowań, które to w szczególny sposób podlegają wpływowi środowiska zewnętrznego. Z uwagi na fakt powtarzalności czynności pomiarowych oraz ich dalszego porównywa- nia w cyklach wielomiesięcznych lub wieloletnich szczególną uwagę skupiono na powtarzalności warunków wykonywania badania. Skupiono się na ocenie wizualnej nawierzchni, podczas której szczególnie istotne jest właściwe oświe- tlenie badanej powierzchni. Diagnoza stanu nawierzchni dokonywana jest na podstawie danych dotyczących:

– wykrywania uszkodzeń nawierzchni. W skład zestawu realizującego wcho- dzi system triangulacji laserowej: laser NNN tworzący linię laserową wraz z kamerą 3D ProtonFocus rejestrującą obraz o grubości 1 mm i szerokości 4 m [6],

– tworzenie przestrzennej fotomapy badanego pasa ruchu, do której wykorzy- stano dwie kamery stanowiące stereoparę Point Grey GS3-U3-51S5M-C, wraz z oświetleniem zapewniającym równomierne oświetlenie badanej na- wierzchni opisanej szczegółowo w punkcie 2 niniejszego artykułu.

Ponadto, do lokalizacji przestrzennej wykorzystano odbiornik GPS-Aided INS z dwiema antenami i drogomierz Advanced Navigation OBDII Odometer [6].

1.2. Geneza problemu

W dotychczas stosowanych systemach tworzenia fotomapy którego komer- cyjny pojazd przedstawia rysunek 1, uzyskiwane obrazy charakteryzowały się niezadowalającą równomiernością oświetlenia badanej powierzchni.

Rys. 1. Komercyjny pojazd firmy Lehmann

Wskutek tego złożone w ciąg drogi obrazy jej nawierzchni charakteryzowały się występowaniem mozaiki, zaprezentowanej na rysunku 2.

Rys. 2. Obraz uzyskiwany po złożeniu wielu zdjęć

Z uwagi na fakt, że obrazy robione są w czasie jazdy pojazdu (szacowana prędkość to 60 km/h) konieczny jest bardzo krótki czas pozyskiwania poje- dynczego zdjęcia, rzędu 10us zatem w celu uzyskania obrazów o wystarczającej jasności i szczegółowości konieczny jest wysoki poziom natężenia oświetlenia na powierzchni badanej nawierzchni. Konieczne jest zatem zastosowanie ukła- du oświetlenia, który spełniłby warunki przestawione w podpunkcie 1.3 niniej- szego artykułu.

1.3. Założenia projektowe

Cele wyznaczone do prawidłowej i zadawalającej na potrzeby tworzenia wysokiej jakości fotomapy jest dobór elementów oświetleniowych, które służyć mają oświetleniu nawierzchni drogi poddanej rejestracji fotograficznej [6].

Założenia projektowe:

a) powierzchnia oświetlana: 2 m x 1 m, b) wysokość montażu 1,5 m,

c) elementy oświetleniowe nie powinny ograniczać pola widzenia kamer reje- strujących,

d) uzyskanie możliwie dużej poziomej równomierności oświetlenia na po- wierzchni drogi,

e) uzyskanie możliwie dużego średniego poziomego natężenia oświetlenia na powierzchni drogi,

f) ograniczenie zużycia energii elektrycznej w celu umożliwienia zasilania z układów wewnętrznych pojazdu,

g) uzyskanie dużej trwałości urządzenia.

Wyboru rodzaju źródła światła dokonano na podstawie ich parametrów użytkowych takich jak: skuteczność świetlna [lm/W], trwałość, odporność na drgania, wartość współczynnika tętnienia, możliwość szybkiego załączeni. Spo- śród źródeł światła lampy wyładowcze charakteryzują się najwyższymi skutecz- nościami świetlnymi (do 200 lm/W dla niskoprężnym lamp sodowych), jednak z uwagi na brak możliwości ich szybkiego załączenia oraz niską odporność na drgania zostały one wykluczone z dalszej analizy. Źródłami które zostały wy- brane są diody elektroluminescencyjne dużej mocy. Układy złożone z wielu chipów diodowych osiągają wysokie wartości strumienia świetlnego, przy prak- tycznie uzyskiwanej skuteczności świetlnej na poziomie 120 lm/W. Ponadto poddają się łatwo procesowi załączenia i wyłączenia bez ich uszkadzania i wy- soką odpornością na drgania.

Przy zastosowaniu dostatecznie dużej ilości diod możliwe jest uzyskanie wysokich wartości poziomego natężenia oświetlenia (założenie e). Przy właści- wym umieszczeniu paneli spełniony zostanie warunek c – nieograniczania pola widzenia kamer. Ponadto zastosowanie właściwie dobranej optyki – soczewek formujących bryłę fotometryczną poszczególnych diod możliwe jest osiągnięcie równomierności oświetlenia na poziomie 0,9.

Z uwagi na fakt, że kamery rejestrujące obraz pracować będą z częstotliwo- ścią 80÷100 Hz i krótkim czasem rejestracji poszczególnych klatek – sięgającym 10 s, zdecydowano się na impulsowe załączanie oświetlenia. Sposób realizacji został przedstawiony w punkcie 2.2 niniejszego artykułu. Praca w takim układzie powinna zwiększyć znacznie trwałość diod, którą przy pracy ciągłej producent deklaruje na poziomie 100000 h. Nie bez znaczenia pozostaje aspekt bezpieczeń- stwa ruchu drogowego. Układ oświetlenia sterowany w sposób impulsowy, gdzie wypełnienie impulsami będzie poniżej 1% dla pojazdów znajdujących się za sa- mochodem roboczym będzie słabo zauważalny. Dla pracy ciągłej układ oświetle- nia stwarzałby znaczące zagrożenie dla ruchu drogowego [6].

2. PROJEKT OŚWIETLENIA

Wybrane do budowy układu oświetleniowego panele diodowe BGP625 PCB 120 LED CW firmy INDAL przedstawione zostały na rysunku 3. Dane katalo- gowe przedstawiono w tabeli 1.

W celu uzyskania dostatecznej wartości strumienia świetlnego zdecydowano się na stosowanie 4 paneli diodowych (po 120 diod w każdym panelu). Zastoso- wana barwa światła CW (Cold White) została dobrana z uwagi na zwiększony zakres czułości widmowej zastosowanych kamer w widmie światła o krótszych długościach fali – światła niebieskiego. Wykres czułości widmowej kamery oraz

widmo światła generowanego przez diody zostały zaprezentowane na rysunku 4.

Ponadto diody zimno białe charakteryzują się wyższym strumieniem świetlnym oraz mniejszym spadkiem strumienia świetlnego w czasie.

Rys. 3. Wymiary geometryczne zastosowanego panelu diodowego [1]

Tabela 2.1. Dane katalogowe zastosowanego panelu diodowego [1]

Parametr

Rodzaj źródła światła HB-LED (LED wysokiej jaskrawości)

Liczba diod w panelu 120

Moc całkowita 120W

Strumień świetlny nominalny 12840lm

Trwałość 100000h

Zakres temperatur otoczenia -20^oC ÷ +35^oC

Rys. 4. Widmo światła generowanego przez diodę HB LED CW oraz czułość widmowa kamery GS3-U3-51S5M

W procesie projektowania dokonano selekcji z możliwych układów optycz- nych (od OFR1 do OFR10) do tych których krzywe światłości zapewnią przy danej wysokości montażu (1,5 m) największą równomierność oświetlenia. Krzy-

we światłości wybranych do obliczeń oświetleniowych paneli z układami optycznymi od OFR 6 do OFR 9 przedstawiono na rysunku 5.

Rys. 5. Uzyskiwane krzywe światłości dla optyk OFR6 – OFR9 [1]

Obliczeń oświetleniowych i doboru usytuowania paneli diodowych, ich na- kierowania i wyboru właściwych układów optycznych dokonano w programie Dialux dedykowanemu to tych celów. Lokalizacja opraw wraz z typami zasto- sowanych optyk przedstawiono na rysunku 6.

Dla przedstawionej na rysunku 6 lokalizacji oraz nakierowania przestawio- nego na rysunku 7 dokonano obliczeń oświetleniowych.

Strumień świetlny generowany przez jeden panel określono na 20000 lm po- wyżej strumienia nominalnego podawanego przez producenta z uwagi na fakt, iż diody będą pracowały w trybie impulsowym, co spowoduje ograniczenie gene- rowania ciepła przez diody i uzyskania wyższych wartości natężenia oświetlenia bez obawy przed ich termicznym uszkodzeniem. Ponadto, na uwagę zasługuje fakt, iż pojazd oraz diody będą znajdowały się w ruchu co dodatkowo wymusi oddawanie ciepła do otoczenia i poprawi warunki termiczne pracy diod. Uzy- skane wartości natężenia oświetlenia wraz z izoliniami przedstawiono na rysun- ku 8.

Rys. 6. Lokalizacja paneli diodowych

Rys. 7. Nakierowanie poszczególnych paneli diodowych

Uzyskana równomierność poziomego natężenia o wartości 0,96 jest w pełni satysfakcjonująca. W celu jej uzyskania konieczne było zastosowanie dodatkowych powierzchni odbijających po bokach obszaru fotografowanego – współczynnik odbicia tych powierzchni przyjęto jako 0,8. Powierzchnie te po- prawią równomierność oświetlenia sztucznego, ale także zapobiegną ingerencji światła z zewnątrz – np. światła słonecznego i/lub cieni drzew itp. Dzięki temu w każdych warunkach rejestracji uzyskiwana jest stałość parametrów oświetle- niowych.

Rys. 8. Izolinie natężenie oświetlenia uzyskiwane na powierzchni drogi wraz z uzyskiwanymi wartościami średniego natężenia oświetlenia oraz równomierności

2.2. Układ zasilania paneli diodowych

W celu ograniczenia zużycia energii elektrycznej zastosowano impulsowe zasilanie diod. Impuls sterujący, będący jednocześnie sygnałem wyzwalania kamery do wykonania fotografii jest przesyłany na tranzystor P5NK50Z. Sche- mat połączeń przestawiono na rysunku 9. Impuls ten polaryzuje bramkę czego efektem jest przepuszczenie napięcia o wartości 273 V do układu zasilacza Xita- nium f-my Philips zasilającego diody. Dane katalogowe tranzystora oraz prze- prowadzone pomiary potwierdzają, że czas załączenia diody jest rzędu s, po zaniku napięcia strumień świetlny zmniejsza się do zera również w przeciągu kilkunastu s.

Tabela 2.2 Schemat oraz parametry tranzystora [2]

Parametr Wartość

VDS 500V

VDGR 500V

VGS 30V

ID TC = 25̊C 4,4A ID TC = 100̊C 2,7A ID (impuls) 17,6A

PTOT 70W

dv/dt 4,5V/ns

temp. pracy -55^oC ÷ +150^oC

Rys. 9. Uproszczony schemat połączeń układu zasilającego, impulsującego z panelem

Przestawiony układ składający się z dobranych paneli diodowych wraz z układami soczewek, ustawionego i nakierowanego zgodnie z rysunkami 6 – 7, układu impulsującego którego parametry i schemat połączeń przedstawiono na rys. 9 spełniają założenia projektowe przedstawione w podpunkcie 1.3.

2.3. Badanie układu stroboskopowego

W celu określenia czy zaproponowany układ stroboskopowego oświetlenia powierzchni jezdni, w którym „błyski” światła będą skoordynowane z impul- sami wyzwalającymi pozyskanie fotografii powierzchni, zdecydowano się na badania dotyczące szybkości zadziałania diody na impuls ją zasilający. Pomia- rów dokonano w układzie laboratoryjnego generatora impulsów, w którym pro- stokątne impulsy sterujące o częstotliwości 100 Hz i wypełnieniu 1%, poprzez układ przedstawiony na rysunku 9, zasilały diodę dużej mocy.

Rys. 10. Oscylogramy uzyskane z impulsującego układu testowego

Do wykrywania impulsów świetlnych posłużono się fotodiodą, której zmiana rezystancji (spadku napięcia) odpowiadała zmianom natężenia oświetlenia na jej powierzchni. Do analizy uzyskanych przebiegów posłużono się oscylosko- pem cyfrowym. Na rysunku 10 przedstawiono uzyskane oscylogramy, przebieg 2 prezentuje impulsy sterujące natomiast przebieg 3 zmiany napięcia na foto- diodzie, który odpowiada zmianie strumienia świetlnego diody. Przyjąć należy, że powolny spadek napięcia na fotodiodzie jest wynikiem nie tylko zmniejsza- nia się strumienia świetlnego diody (prawdopodobnie luminoforu, którym jest ona pokryta) ale także z pojemności elektrycznej fotodiody. Spadek napięcia jak zobrazowano wynosi około 1ms. Dzięki temu teoretycznie niekorzystnemu efektowi zdjęcia wykowywane w czasie 10 s będą w pełni doświetlone bez konieczności stosowania dodatkowego układu podtrzymującego napięcie na diodzie. Jak obrazuje oscylogram przy stałej czasowej 0,5 s/dz czas narastania impulsu sterującego oraz wzrostu strumienia świetlnego jest natychmiastowy i bez opóźnień.

3. WNIOSKI I DALSZE PRACE

Zaproponowany układ oświetlenia badanej powierzchni jezdni pozwoli na uzyskanie pomiarów i tworzenie fotomapy powierzchni przy jednakowych wa- runkach oświetleniowych. Zastosowanie dodatkowych przesłon opisanych w podrozdziale artykułu zaowocuje zniwelowaniem oświetlenia zewnętrznego i uniknięciem niepożądanych cieni pochodzących od drzew.

LITERATURA

[1] http://www.lighting.philips.pl/prof/oswietlenie-zewnetrzne/oswietlenie-drogowe- i-miejskie/oprawy-oswietleniowe-drogowe-i-miejskie/luma/luma/912300025539 _EU /produkt (dostęp 14.01.2016)

[2] http://pdf1.alldatasheet.com/datasheet-

pdf/view/168930/STMICROELECTRONICS/P5NK50Z.html(dostęp 14.01.2016) [3] Pożarycki A., Rydzewski P., Cyfrowe przetwarzanie makroskopowych obrazów

jezdni drogowych, Drogi i Mosty nr 11 (2012).

[4] Pożarycki A., Rydzewski P., Elementy przekształceń obrazów cyfrowych w bazach danych elementów zarządzania nawierzchniami bitumicznymi, Zeszy- ty naukowe Politechniki Rzeszowskiej nr 283.

[5] Pożarycki A., Rydzewski, Przekształcenia obrazów cyfrowych w drogownictwie, Drogownictwo nr 6 (2012).

[6] Raport cząstkowy z realizacji projektu naukowego PBS3/B6/36/2015, Inteli- gentny system monitoringu stanu technicznego nawierzchni jezdni, zadanie nr 1 i 2, listopad i grudzień 2015.

LIGHTING SYSTEM FOR MONITORING DESTRUCTION OF ROAD SURFACE

The paper refers to Basic informaction abort analyze and record destruction of the Road surfach. Presented project lighting system implement important parameters of electrical and lighting equipment while maintaining of the technical condidtions.

Relevant aspects about the lighting met by LED diodes with optical systems like lenses created luminous intensity distribuctions. Use stroboscoping system and characteristic feature of LED’s – almost immediate switching of high frequency synchronized with the moment capture photo of road surface. The use of cameras obtain a many photos of a very short time exposure.

(Received: 11. 02. 2016, revised: 3. 03. 2016)