Pomiary rozkładu luminancji oświetlonego odcinka drogi zgodnie z aktualnymi przepisami z wykorzystaniem matrycowego miernika luminancji.

Dlaczego warto wykonywać pomiary luminancji?

Oświetlenie drogowe ma szczególny wpływ na poprawę bezpieczeństwa ruchu drogowego a właśnie pomiar luminancji pozwala na określenie poziomu jaskrawości powierzchni drogi jaką obserwuje kierowca. W polu jego widzenia na drodze pojawiają się inni uczestnicy ruchu oraz mogą się pojawić przeszkody a oświetlenie odcinka drogi pozwala poprawić czas reakcji kierowcy. Aby zapewnić odpowiednie warunki oświetleniowe zarówno projekt, dobór sprzętu oświetleniowego oraz wykonanie instalacji powinno być zgodne z obowiązującymi normami i warunkami technicznymi.

Proces inwestycyjny związany z budową lub wymianą instalacji oświetleniowej jest wieloetapowy, długotrwały i bardzo złożony. Wymaga on zaangażowania wielu osób i instytucji a zatem wydaje się, że jedyną obiektywną metodą weryfikacji jakości oświetlenia i zgodności z normami są pomiary powykonawcze. W ten sposób można jednoznacznie ocenić efekt końcowy jakim ma być poprawa warunków widoczności na drodze. Do tej pory, w praktyce, pomiary takie były wykonywane sporadycznie lub wcale. Wynikało to zapewne z wielu przyczyn ale jedną z nich była ograniczona dostępność i wysokie ceny odpowiednich urządzeń pomiarowych oraz czasochłonny i skomplikowany proces pomiarowy.

Nowa norma PN-EN 13201:2016 Oświetlenie dróg składa się z pięciu części (wszystkie opublikowano w wersji angielskiej) i stanowi podstawę projektowania i oceny parametrów oświetlenia drogowego. Ogólne założenia, dotyczące zarówno procedur doboru, jak i ilościowych wymagań oświetleniowych, zawarte w nowej normie, oparte są na publikacji Międzynarodowej Komisji Oświetleniowej z 2010 roku pt. „Oświetlenie dróg przeznaczonych dla ruchu motorowego i dla pieszych”.

Podstawowe wymagania oświetleniowe dotyczące dróg przeznaczonych głównie dla ruchu motorowego z wysokimi i średnimi prędkościami oparte są na kryteriach związanych z poziomem i równomiernością luminancji samej drogi, z oświetleniem jej bezpośredniego otoczenia oraz z ograniczeniem olśnienia. Właściwie zaprojektowane oświetlenie drogi sprzyja podniesieniu bezpieczeństwa kierowców i pieszych uczestniczących w ruchu drogowym. Metodę luminancyjną wykorzystywaną przy ocenie jakości oświetlenia drogowego stosuje się w przypadku klas oświetlenia oznaczonych jako M. Klasy M są przewidziane do stosowania na drogach o ruchu motorowym, na których dopuszczone są średnie i wysokie prędkości. Tabela 1. przedstawia minimalne wymagania luminacji dla klasy oświetleniowych M. 

Projekt opracowania polskiego matrycowego miernika luminancji

W 2020 roku zakończyły się prace nad stworzeniem nowego polskiego instrumentu pomiarowego w ramach współpracy pomiędzy firmą GL Optic z Puszczykowa pod Poznaniem, specjalizująca się w produkcji urządzeń do pomiaru oświetlenia a Zakładem Techniki Świetlnej Politechniki Poznańskiej. Efektem przeprowadzonych prac badawczo-rozwojowych oraz badań przemysłowych jest opracowany innowacyjny system do matrycowego pomiaru luminancji na drodze pod nazwą GL Opticam 3.0 4K TEC. Projekt ten został zrealizowany w ramach konkursu Narodowego Centrum Badań i Rozwoju "Szybka Ścieżka".

Pracownicy Politechniki, przeprowadzili wiele pomiarów luminancji na drogach ekspresowych i w miastach a swoimi doświadczeniami oraz wiedzą ekspercką wsparli ten projekt.  W ocenie dr hab. inż. Krzysztofa Wandachowicza z Politechniki Poznańskiej powstał niezwykle przemyślany system w pełni przystosowany do pomiarów zgodnie z normą oświetlenia drogowego PN-EN 13201:2016. Poza nowoczesnym układem pomiarowym miernik połączony jest z dedykowanym komputerem i  odpowiednim oprogramowaniem. Urządzenie ma hermetyczną obudowę i jest wyposażony w niezależny system zasilania, który jest niezbędny, kiedy pomiary wykonuje się nierzadko na zamkniętych odcinkach dróg bez dostępu do zasilania sieciowego. Zestaw został również wyposażony we wszystkie niezbędne dodatkowe elementy jak kable, przejściówki a nawet śrubokręty i kamizelki odblaskowe.

Warunki niezbędne dla przeprowadzenia pomiarów

Pomiary rozkładu luminancji na drodze muszą być wykonywane po zmierzchu w momencie gdy luminancja drogi nie jest już "dodatkowo doświetlona" przez poświatę nieboskłonu oraz przy sprzyjających warunkach pogodowych. Zaleca się, aby warunki klimatyczne nie wpływały znacząco na pomiary.

Wysokie lub niskie temperatury mogą wpływać na strumień świetlny lamp albo na dokładność przyrządów pomiarowych. Wiatry o dużych prędkościach mogą powodować kołysanie się opraw oświetleniowych poza tym mogą obniżać temperaturę lamp i zmieniać ich strumień świetlny. Wilgotność nawierzchni drogi może wpływać w znaczący sposób na jej luminancję. Stopień przejrzystości atmosfery wpływa na rozpraszanie światła i w przypadku pomiarów luminancji będzie oddziaływać na poziom sygnału odbitego od mierzonej powierzchni zarejestrowanego przez matrycę miernika.

Ponadto należy zwrócić uwagę na kwestie związane z instalacją oświetleniową oraz otoczeniem. Lampy wyładowcze oraz lampy i moduły LED wymagają pewnego czasu do stabilizacji strumienia świetlnego. Pomiary luminancji powinny być wykonane po zakończeniu procesu rozruchu i po upewnieniu się, że stabilizacja została osiągnięta.

W przestrzeni miejskiej, zabudowanej lub w pobliżu innych obiektów należy w tym wyeliminować światło bezpośrednie i odbite od zewnętrznej instalacji. Światła obce mogą pochodzić z witryn sklepowych, tablic reklamowych, drogowej sygnalizacji świetlnej. Światła te można wyłączyć lub zamaskować albo można wykonać korektę na podstawie oddzielnych pomiarów z wyłączonym oświetleniem drogowym.

Wyznaczenie pola pomiarowego

Zgodnie z normą pomiar rozkładu luminancji powinien obejmować odcinek drogi wyznaczony pomiędzy dwoma kolejnymi słupami oświetleniowymi. Rysunek 1 przedstawia ogólne wytyczne dotyczące metody wyznaczenia pola pomiarowe. W zależności od przyjętej w projekcie klasy oświetleniowej oraz wybranego typu opraw i wysokości słupa, długość odcinka mierzonego między słupami oświetleniowymi może wynosić od kilkunastu do kilkudziesięciu metrów. Stąd wielkość pola pomiarowego musi być ustalona na podstawie projektu i zweryfikowana na miejscu ponieważ faktyczne rozmieszczenie słupów może się różnić od zaprojektowanego a ma to wpływ na wyniki pomiarów.

Pomiary wykonuje się zgodnie z kierunkiem ruchu, natomiast analizie podlega cała szerokość drogi obejmująca wszystkie pasy ruchu. Stąd szerokość pola pomiarowego jest zależna od szerokości i ilości zaprojektowanych pasów ruchu. Zgodnie z rozporządzeniem w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać drogi publiczne i ich usytuowanie, minimalna szerokość pasa ruchu zależy od kategorii drogi i wynosi od 2,50 m (drogi dojazdowe) do 3,75 m (autostrady poza terenem zabudowanym). Maksymalna szerokość pasa ruchu na terenie zabudowanym wynosi od 3,5 metra (autostrada) przez 3,0 m (droga zbiorcza) do 2,5 m (dwupasowa droga dojazdowa)[2].

Dla przykładu szerokość pola pomiarowego dla dwukierunkowej drogi w mieście może wynosić 5 -6m. Natomiast w przypadku pomiarów 3 pasmowego odcinka autostrady szerokość może wynieść  10,5 lub więcej. 

Należy więc wybrać odcinek o jak najmniejszej krzywiźnie, a w trakcie analizy wyników pomiarów sprawdzić, czy punkty pomiarowe nie nachodzą na poziome oznakowanie jezdni, np. na linie rozdzielające pasy ruchu. Ponadto droga za polem pomiarowym powinna być oświetlona na odległości wynoszącej przynajmniej dwunastokrotną wysokość słupów oświetleniowych.

Dla sprawnego przeprowadzenia pomiarów narożniki pola pomiarowego powinny być zaznaczone w widoczny i praktyczny sposób. W ramach opracowania projektu nowego miernika zostały zaprojektowane specjalne „aktywne znaczniki” które w łatwy sposób mogą być rozstawione na drodze oraz po wykonaniu pomiaru łatwo wykryte przez oprogramowanie przy analizie zarejestrowanego obrazu. Jest to unikalne rozwiązanie na skalę światową a znaczniki są objęte ochroną patentową na podstawie zgłoszenia rezultatów projektu do urzędu patentowego.

Ustawienie miernika i geometria pomiaru

Miernik powinien być umieszczony na środku pasa ruchu na wysokości 1,5 m nad powierzchnią jezdni i w odległości 60 m przed polem pomiarowym, a zastosowana optyka musi umożliwiać pomiar luminacji na całej szerokości mierzonej drogi. W przypadku drogi z wieloma pasami ruchu należy przeprowadzić pomiary badanego odcinka kolejno przestawiając miernik na środek każdego pasa ruchu. kąt pomiędzy osią optyczną miernika a powierzchnią jezdni zmienia się tylko w przedziale od 1,5° do 0,5° czyli lekko poniżej linii horyzontu tak aby objąć całe pole pomiarowe. W ten sposób odtworzone jest pole widzenia kierowcy jadącego pojazdem i obserwującego odcinek drogi przed sobą pomiędzy 60 m a 160 m.

Pomiar i analiza wyników

W przypadku wykorzystania miernika punktowego należy precyzyjnie wycelować oś pomiarową w kierunku poszczególnych punktów pomiarowych. Ze względu na bardzo dużą ilość punktów oraz ich zagęszczenie związane z perspektywą z poziomu obserwatora pomiary takie zgodnie z normą są bardzo czasochłonne.. Stąd mierniki punktowe są wykorzystywane tylko do „pobieżnej” weryfikacji poziomów luminancji. Szczegółowa analiza i wyliczenie średniej oraz wzdłużnej luminancji jest w niektórych przypadkach niemożliwa do wykonania.

W przypadku wykorzystania miernika matrycowego, analiza poziomów luminacji i kalkulacja wyników pod względem zgodności z normami odbywa się na podstawie analizy obrazowej. Po wykonaniu pomiaru, czyli zdjęcia oznaczonego odcinka drogi, odpowiednie funkcje oprogramowania pozwalają nałożyć siatkę pomiarową na obraz i natychmiast wykonać  przeliczenia i porównanie z wymaganiami normy. Oprogramowanie zawiera bibliotekę wymagań dla różnych klas oświetleniowych i automatycznie analizuje otrzymane z pomiarów dane.

W skład kompletnego zestawu pomiarowego GL Opticam 3.0 4K TEC wchodzi skalibrowany miernik luminancji, profesjonalny statyw, koło pomiarowe i zasilane bateryjnie. Ponadto system wyposażony jest w specjalne skrzynie transportowe które tworzą stabilne  stanowisko pomiarowe z laptopem. Dzięki takiemu rozwiązaniu w ciągu kilkunastu minut od momentu przyjazdu na miejsce pomiarów można rozstawić sprzęt pomiarowy, oznaczyć i pomierzyć pole pomiarowe, dokonać pomiarów poziomów luminancji i rozkład luminacji wraz z określeniem czy instalacja spełnienia wymagania normy i warunków technicznych.  

Podsumowanie

Weryfikacja założeń projektowych polegająca na ocenie parametrów oświetleniowych na drodze możliwa jest dzięki zastosowaniu wysokiej klasy mierników przystosowanych do tych celów. Wybór miernika jest szczególne ważny w przypadku pomiarów luminacji, gdyż pomiary te są pomiarami trudnymi, czasochłonnymi i wymagającymi zatrzymania ruchu na czas przygotowań i pomiaru. W tej sytuacji najlepszym rozwiązaniem jest użycie do pomiarów systemu pomiarowego składającego się z matrycowego miernika luminacji posiadającego odpowiednio dobraną optykę i przyjazne oprogramowanie, oceniające parametry na drodze zgodnie z wymaganiami normy PN EN 13201:2016.

Kompaktowa forma systemu pomiarowego umożliwi szybkie i sprawne wykonanie pomiarów rozkładu luminacji na drodze nawet przez jedna osobę i ograniczenie do minimum uciążliwości związanych z ograniczeniem ruchu pojazdów w czasie pomiarów, jeżeli pomiary wykonywane są na eksploatowanych drogach.

Literatura:

 [1] Prawo o ruchu drogowym (Dz.U. z 2020 r. poz. 110)

 [2] § 15 Rozporządzenia Ministra Transportu i Gospodarki Morskiej z dnia 2 marca 1999 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać drogi publiczne i ich usytuowanie (Dz.U. z 2016 r. poz. 124).

[3] Dz.U. z 2006 r., poz. 625 – Ustawa z 10 kwietnia 1997 r. Prawo Energetyczne.

[4] PKN-CEN/TR 13201-1:2016 – Oświetlenie dróg. Część 1: Wytyczne dotycząca wyboru klas oświetlenia.

[5] PN-EN 13201-2: 2016 – Oświetlenie dróg. Część 2: Wymagania eksploatacyjne.

[6] PN-EN 13201-3: 2016 – Oświetlenie dróg. Część 3: Obliczenia parametrów oświetleniowych.

[7] PN-EN 13201-4: 2016 – Oświetlenie dróg. Część 4: Metody pomiaru efektywności oświetlenia.

[8] PN-EN 13201-5: 2016 – Oświetlenie dróg. Część 5: Wskaźnik efektywności energetycznej.

[9] M. Zalesińska: Projektowanie oświetlenia drogowego. Przewodnik projektanta nr 3/2019 (lipiec-wrzesień), WPIIB, 2019