Интеллектуальное управление дорожным освещением при различных погодных условиях

Дорожное освещение – это практическое средство обеспечения хороших условий видимости при вождении в тёмное время суток. До сих пор яркости дорожного покрытия (ДП) определялись на основе классификации дорог, регламентирующей определeнные уровни яркости для определённых типов дорог. Однако на практике уровни яркости ДП обычно очень динамичны и в значительной степени зависят от многих внешних факторов, таких как погодные условия, светлота окружающей среды, окружающие здания и т.д. Например, в Финляндии зимой уровни дорожного освещения часто выше стандартных из-за наличия снега. Недавнее повышение стоимости электроэнергии вызвало стремление минимизировать затраты на неё. Проведены технологические исследования и опытно-конструкторские работы по поиску решений и созданию подходящих руководств по интеллектуальному управлению дорожным освещением. При этом эффективные системы управления дорожным освещением позволяют экономить электроэнергию без вреда для безопасности вождения или качества дорожного освещения.
1. Измерения при разной погоде
1.1. Методы измерений и оборудование
В Европе измерения и расчеты в дорожном освещении производятся по стандарту EN 13201-3. В данной работе все измерения и расчёты следовали ему же за исключением выбора местоположений наблюдателей. Все измерения яркости ДП проводились с помощью яркомера «ProMetric 1400» и компьютерных программ «Radiant Imaging ProMetric» и «Road LumiMeter».
«ProMetric 1400» – это компьютеризированный фотометр с ПЗС-датчиком изображения, пригодный для измерений и анализа яркости в наружном и внутреннем освещении. Яркомер содержит охлаждаемую элементом Пельтье 14-битовую ПЗС-камеру с двухстадийным получением изображения, фотопический фильтр и набор объективов. Точность измерения яркости составляет ±3%.
1.2. Результаты измерений
В этой работе использовались 5 контрольных дорог разного типа. Измерения яркости ДП проводились с использованием одного и того же метода в разное время года и в разную погоду (сухая, сырая, снежная) (табл. 1). Измерения проводились в январе, марте, июне и октябре между 23 и 2 ч.

Таблица 1.
Характеристики участков измерения яркости дорожного покрытия в различных погодных условиях

 
Результаты измерений яркости ДП на двух участках дорог VT3 и Leppalinnunrinne представлены на рис. 1 и 2 в изохромном виде. Цвета и цветовая шкала показывают распределение яркости на ДП. При каждом измерении рассчитывались средняя яркость ДП участка (Lср), коэффициент общей равномерности распределения яркости на ДП участка (Uo) и коэффициенты равномерности продольного распределения яркости на ДП участка (UL). Lср и Uo рассчитывались для всей ширины данной стороны дороги, а UL – раздельно для каждой полосы движения.

Рис. 1. Распределения яркости на дорожном покрытии (ДП) участка дороги VT3 в разных погодных условиях. Участок освещается светильниками с МГЛ мощностью 150 Вт. Lcр – средняя яркость участка; U0 – коэффициент общей равномерности распределения яркости; ULлевая и ULправая – коэффициенты равномерности продольного распределения яркости левой и правой полос движения

Рис. 2. Распределение яркости на дорожном покрытии (ДП) участка дороги Leppalinnunrinne в разных погодных условиях. Участок освещается светильниками с НЛВД. Наименования величин – по рис. 1

 
Рис. 1, б, соответствующий слегка заснеженному ДП, представляет обычные зимние условия вождения в Финляндии. Обычно на больших дорогах благодаря очистке и посыпанию солью так много снега не бывает. Однако их обочины покрыты снегом, который увеличивает при ночном вождении общую светлоту. Согласно рис. 1, а и 1, б, Lср заснеженного ДП на 50% выше, чем сухого, хотя оно и почти очищено от снега. И чем больше снега, тем оно светлей. Таким образом при дорожном освещении, динамично приспосабливаемом к преобладающим погодным условиям, можно получать значительную экономию электроэнергии без ущерба для качества освещения.
Измерения яркости покрытия на участке дороги Leppalinnunrinne ориентировались на наиболее экстремальные погодные условия (рис. 2). Измеренная Lср очень заснеженной дороги равнялась 4,25 кд/м², что в 4 раза выше Lср сухой дороги (1,15 кд/м²).
Яркости ДП во влажных состояниях в несколько раз выше, чем в нормальных, сухих (рис. 1, в и 2, в). Самая большая проблема влажных дорог – зеркальное отражение в сторону наблюдателя, что может создавать дискомфортную блёскость ДП. Эффект блёскости усиливается светом фар встречных автомобилей, отражаемым от влажного ДП. Кроме того, очень трудно поддерживать хорошее качество освещения влажных ДП из-за динамичности их характеристик. Яркости ДП очень нестабильны, так как ДП становятся то влажнее, то суше. При этом равномерность распределения яркости плоха, и, кроме того, условия видимости для водителей могут нарушаться отражениями от луж (рис. 1, в). Однако Lср обычно достаточно высоки, и при эффективном управлении дорожным освещением, использующем измерения в режиме реального времени, из наличия высоких яркостей, по-видимому, можно извлекать пользу.
2. Оптимизация интеллектуальной системы управления дорожным освещением
Чтобы иметь возможность экономить электроэнергию и в то же время поддерживать необходимое качество освещения, требуется динамичное освещение. Передовым решением по созданию динамичного освещения служат интеллектуальные системы управления освещением. При этом интеллектуальной системой управления дорожным освещением (ИСУДО) мы называем современную систему управления дорожным освещением, способную автоматически собирать, анализировать информацию и оптимально менять световой поток ламп в соответствии с управляющими параметрами типа интенсивности движения, погодных условий, яркости ДП и т.д. В настоящее время нет руководств или стандартов, точно указывающих, какие управляющие параметры должны использоваться в ИСУДО.
В соответствии с указанными результатами измерений в разных погодных условиях в качестве одного из управляющих параметров для ИСУДО целесообразно использовать яркость ДП. Для этого следует тщательно относиться к выбору местоположений яркомера и контрольного участка дороги. На практике это означает, что эти местоположения должны выбираться и рассчитываться в каждом случае специально.
По теории, яркомер системы управления освещением должен устанавливаться в соответствии со стандартом на высоте 1,5 м от ДП, и измерения яркости проводятся при углах зрения от 0,5 до 1,5°. На практике, однако, на показания яркомера отрицательно влияют транспортные потоки. Если яркомер устанавливать на указанной стандартизованной высоте, измеряемые значения яркости ДП завышаются за счет света фар и задних огней автомобилей. Соответственно, изменения яркости при изменении погодных условий, видимо, не могут улавливаться ИСУДО, так что в некоторых случаях ожидаемой экономии энергии можно и не получать. Таким образом, на практике применение стандартизованных высоты и угла наблюдения, по-видимому, – не лучшее решение.
Лаборатория освещения Технологического университета Хельсинки занимается созданием и оптимизацией ИСУДО. Проводились исследования по использованию результатов измерений яркости ДП при разной погоде, а также серии измерений яркости ДП для оптимизации расположения яркомера в ИСУДО.
Измерения проводились на 4-полосной дороге VT1, между Кольмперэ и Лохъянхарью, – одной из главных автомагистралей южной Финляндии. VT1 имеет два направления движения, разделенные резервной полосой. Каждое направление (сторона дороги) имеет две полосы движения с суммарной шириной 8 м. Дорога освещается светильниками с НЛВД, установленными с шагом 53 м. В измерениях использовался яркомер с ПЗС-датчиком изображения (модель «LMK Mobile Advanced»), и результаты обрабатывались компьютерной программой «LMK 2000».

Рис. 3. Схема местоположений (рабочих) яркомера и контрольных участков дороги VT1 и направления движения по ней

 
Измерения состояли из двух этапов. Целью первого из них было выяснить, как передние и задние огни автомобилей влияют на результаты измерения яркости ДП. Согласно рис. 3, местоположение 1 яркомера находилось в середине правой стороны дороги на мосту, а его местоположение 2 тоже было на мосту, но в середине левой стороны дороги. Мост имеет высоту 6 м и находился на расстоянии 32 м от контрольных участков дороги, находившихся между светильниками 1 и 2 (рис. 3). Яркости ДП измерялись при обоих указанных расположениях яркомера (т. е. для каждого направления движения) при наличии и отсутствии едущего автомобиля, что позволяло исследовать указанное влияние передних и задних огней последнего. Результаты измерений приведены на рис. 4 и в табл. 2.

Таблица 2.
Результаты измерений средней яркости дорожного покрытия (Lср) дороги VT1

Рис. 4. Результаты измерения средней яркости дорожного покрытия (Lcp) участков дороги VT1: а – правая половина дороги без автотранспорта (0,47 кд/м²); б – правая половина дороги при яркомере, направленном в направлении движения автомобиля (0,60 кд/м²); в – левая половина дороги без автотранспорта (0,34 кд/м²); г – левая половина дороги при яркомере, направленном навстречу движению автомобиля (1,81 кд/м²)

 
Даже, несмотря на то, что измерения проводились не с места водителя, результаты измерений показывают, как сильно влияют огни автомобилей на значения яркости ДП. Результаты эти показывают, что, если яркомер направлен в сторону приближающегося транспорта, Lср в некоторых случаях может быть в 4 и более раз выше, чем в отсутствие транспортных огней. Если же яркомер направлен в сторону удаляющегося транспорта, влияние автомобильных огней значительно ниже (прирост Lср – 28%).
При практическом применении мониторинга яркости контрольным параметром является среднее значение яркости ДП за определенный период времени. Это снижает влияние огней автотранспорта по сравнению с тем, что соответствует нашим измерениям. Все же для минимизации влияния автотранспорта рекомендуется направлять яркомер в направлении его движения.
Другое возможное решение – использование яркости ДП как несущественного управляющего параметра при большом транспортном потоке и как основного управляющего параметра при малом, что минимизирует указанное влияние авторанспорта.
Целью второго этапа измерений было изучение влияние рабочей высоты местоположения яркомера на значение яркости ДП при разной погоде. Измерения проводились в сухую, сырую погоду и в гололед. Использовалось местоположение 1 яркомера (в середине правой стороны дороги на мосту) на высоте 7,5 м от ДП. Такие же измерения проводились и при местоположении 3 яркомера. Последнее находилось на обочине дороги (рис. 3), при высоте расположения яркомера 1,5 м. Результаты измерений представлены на рис. 5 и в табл. 3.

Таблица 3.
Сравнение яркостей дорожного покрытия при двух высотах расположения яркомера и разной погоде

Примечание: Lбол и Lмен – средние яркости контрольного участка дорожного покрытия при большей и меньшей высотах расположения яркомера соответственно.

Рис. 5. Измерения яркости дорожного покрытия в разных погодных условиях при двух высотах расположения яркомера: а1 – гололед при большей высоте; а2 – гололед при меньшей высоте; б1 – сухо при большей высоте; б2 – сухо при меньшей высоте; в1 – влажно при большей высоте; в2 – влажно при меньшей высоте

 
Результаты измерения яркости показывают, что при обледенелых или влажных ДП высота расположения яркомера значительно влияет на получаемые значения яркости ДП. В то же время при сухих ДП подобное влияние существенно меньше. Применение ИСУДО требует, чтобы светораспределение на контрольном участке представляло общее светораспределение на дороге. И важно, чтобы этот участок был прямолинейным.
3. Заключение
Настоящая статья посвящена оптимизации ИСУДО с помощью поиска возможных способов использования яркостей ДП как управляющего параметра для ИСУДО. Были проведены измерения яркостей ДП для изучения влияния различных погодных условий на распределение этих яркостей.
Результаты указанных измерений показывают, что с учётом влияния погодных условий на яркость ДП можно получать значительную экономию электроэнергии. Яркости заснеженных ДП могут в несколько раз превышать яркости сухих. И если даже снега немного и проведена его уборка, яркости ДП могут быть на 40-100% выше яркостей бесснежных ДП. Кроме того, снег на дороге в какой-то мере влияет на равномерность распределения яркости на ДП. И в некоторых ситуациях заснеженные и, особенно, обледенелые ДП, освещаемые фарами встречных автомобилей, могут вызывать дискомфорт и ослеплeнность и ухудшать условия видимости для водителей.
Распределение яркости на влажных ДП заметно иное, чем на нормальных, сухих. Участки ДП с зеркальным отражением в сторону наблюдателя становятся очень яркими и могут обладать дискомфортной блёскостью. А яркости затемнeнных участков дороги снижаются. Это ухудшает равномерность распределения яркости на ДП и, в худшем случае, условия видимости для водителей. Однако средние яркости влажных ДП обычно намного выше, чем сухих.
В обеспечение возможности учёта и полезного использования преобладающих погодных условий необходимы ИСУДО, основанные на измерениях яркостей ДП в режиме реального времени. Измерения яркости при разной погоде продолжают вдохновлять, и для того, чтобы получать выигрыш от разных погодных условий, необходимо развивать и исследовать возможности интеллектуального управления дорожным освещением.
Измерения при разной погоде показывают целесообразность использования в роли управляющего параметра ИСУДО яркость ДП. Однако, хотя измерения в разных погодных условиях и показывают соответствующие изменения яркости, в действительности ИСУДО может не улавливать этих изменений из-за интенсивного транспортного движения. В случае ИСУДО следует тщательно выбирать рабочее местоположение яркомера, так как оно сильно влияет на измеряемые значения яркости. На практике это обычно означает какое-то компромиссное местоположение, в котором помехи от транспорта минимальны.
Представленные в этой статье результаты измерений не характеризуют какие-то стандартизованные заснеженные или влажные ДП. Однако они, несомненно, указывают на значительное влияние, которое эти условия могут оказывать на распределение яркости в дорожном освещении.
Данная работа – часть исследовательского проекта «VaLOT», выполняемого Лабораторией освещения Технологического университета Хельсинки. Проект поддерживается Финским фондом технологии и инноваций и финской светотехнической промышленностью.