BADANIA BRYŁ FOTOMETRYCZNYCH ŚWIATEŁ MIJANIA W

Tomasz TARGOSIŃSKI
BADANIA BRYŁ FOTOMETRYCZNYCH
ŚWIATEŁ MIJANIA W WARUNKACH
EKSPLOATACYJNYCH
STRESZCZENIE
W artykule omówiono wyniki badań reflektorów
samochodowych w warunkach eksploatacyjnych polegających na
zarejestrowaniu ich bryły fotometrycznej komputerowym urządzeniem
wykorzystującym przetwornik obrazu. Dokonano analizy ilościowej
pod kątem spełnienia podstawowych wymagań homologacyjnych
i ksploatacyjnych oraz analizy jakościowej charakterystycznych brył
fotometrycznych.
Słowa kluczowe: reflektory samochodowe, jakość, badania, bezpieczeństwo ruchu drogowego
1. WSTĘP
Współczesne światła reflektorów samochodowych wykazują duże zróżnicowanie. Wynika to głównie z uwarunkowań historycznych związanych z przyjęciem systemu zapewnienia ich jakości [1, 2]. Rozwój technologiczny konstrukcji reflektorów i źródeł światła pozwolił na znaczące przekroczenie wymagań
minimalnych.
dr inż. Tomasz TARGOSIŃSKI,
e-mail: [email protected]
tel. 0 22 811 3231 w. 157,
Zakład Homologacji i Badań Pojazdów
Instytut Transportu Samochodowego
Warszawa
PRACE INSTYTUTU ELEKTROTECHNIKI, zeszyt 228, 2006
328
T. Targosiński
Natomiast koncepcja wymagań homologacyjnych dostosowanych do
pierwotnej konstrukcji paraboloidalnej z żarówką dwuwłóknową w sposób
bardzo uproszczony odzwierciedla rzeczywiste właściwości świateł. W efekcie
w warunkach eksploatacyjnych zdarza się, że jakość wiązki światła konkretnego
pojazdu znacznie przekracza minimalne wymagania homologacyjne, chociaż
często spotykana jest sytuacja, że wymagania te nie są spełnione
Wynika to ze zróżnicowanych konstrukcji reflektorów, nieprecyzyjnych
wymagań homologacyjnych, rozrzutów parametrów reflektorów i żarówek masowej produkcji, a także obecnych na rynku reflektorów i żarówek o niewystarczającej jakości. Badania zagraniczne potwierdzają występowanie problemu
także w innych krajach [3, 4]. Brakuje jednak analizy skali problemu.
Aby uzyskać pogląd na sytuację wykonano serię badań brył fotometrycznych reflektorów pojazdów znajdujących się w eksploatacji za pomocą opracowanego przez autora komputerowego urządzenia diagnostycznego wykorzystującego analizę obrazów fotometrycznych uzyskanych z kamery CCD.
2. WYNIKI BADAŃ W ASPEKCIE
OBOWIĄZUJĄCYCH WYMAGAŃ
Badania miały na celu sprawdzenie na ile parametry świetlne reflektorów
zainstalowanych na pojazdach znajdujących się w ruchu są zgodne z obowiązującymi wymaganiami homologacyjnymi oraz eksploatacyjnymi. Podjęto
też próbę analizy stanu oświetlenia i możliwych tego przyczyn.
Badania wykonano na losowej próbce ponad 100 różnych samochodów
osobowych. Pomiary wykonywano dwukrotnie. Pierwszy raz w stanie takim,
w jakim samochód przyjechał na badanie. Następnie dokładnie ustawiono światła
zgodnie z obowiązującymi wymaganiami i ponownie wykonano pomiary. Wyniki
pogrupowano pod kątem spełnienia wybranych, podstawowych wymagań homologacyjnych: natężenie oświetlenia dla punktów 50R i 75R odpowiadających
prawej krawędzi pasa ruchu w odległości 50m i 75m przed pojazdem. Zbadano
podstawowy parametr oceny eksploatacyjnej świateł: ustawienie świateł na
podstawie granicy światła i cienia (GSC). Granicę tę wyznaczono automatycznie, w sposób najlepiej modelujący percepcję wzrokową tj. jako maksimum
pionowego gradientu pochodnej logarytmu natężenia oświetlenia. Wyniki przedstawiono na rys. 1...3.
Ustawianie świateł jest wymogiem urzędowym i należałoby oczekiwać
zdecydowanie większego odsetka prawidłowo ustawionych świateł. Zestawienie
Badania brył fotometrycznych świateł mijania w warunkach eksploatacyjnych
329
pokazane na rys. 1 wskazuje na niezadowalający stan ustawienia świateł
w warunkach eksploatacyjnych w przebadanej grupie.
Można wymienić kilka przyczyn takiego stanu. Jedna z nich to niedostateczna dbałość użytkowników pojazdów o ustawianie świateł. Wynika ona
prawdopodobnie również z braku świadomości problemu i niewystarczającej
edukacji kierowców. Inny powód to niedoskonałość przyrządów stosowanych do
ustawiania świateł. Przyrządy te wykorzystują subiektywną, wzrokową obserwację GSC. Kształt tej granicy częstokroć znacząco odbiega od kształtu wzorcowego, zresztą dość nieprecyzyjnie opisanego [5]. Istotne znaczenie ma również dokładność ustawienia przyrządu względem pojazdu. Ostatecznie uzyskanie ustawienia świateł zgodnego z wymaganiami jest na granicy możliwości
technicznych stosowanych współcześnie przyrządów.
Rys. 1. Odsetek prawidłowo ustawionych świateł (dodatkowo
pokazano podwojony margines tolerancji w stosunku do wymagań urzędowych)
Zgodnie z założeniem obowiązującego systemu kontroli eksploatacyjnej
prawidłowe ustawienie świateł powinno zagwarantować wystarczające oświetlenie drogi. Na rysunku 2 pokazano spełnienie wymagań w dwóch podstawowych punktach oświetlenia drogi przed regulacją. Na podstawie porównania
rys.1. i rys. 2. można by odnieść wrażenie, że niespełnienie wymagań jest powiązane z ustawieniem.
Warto jednak zauważyć, że podczas homologacji pomiary wykonywane
są w większej ilości punktów. Natomiast w przeprowadzonym eksperymencie
weryfikowano tylko dwa punkty. W związku z tym oszacowanie należy potraktować jako zdecydowanie optymistyczne.
330
T. Targosiński
Jednak jak pokazuje rys.3 założenie, że prawidłowe ustawienie spowoduje spełnienie, bardzo ograniczonych, wymagań jest niesłuszne.
Rys. 2. Odsetek pojazdów przed regulacja ustawienia (pojazdy
w takim stanie w jakim poruszają się po drogach), które spełniały minimalne wymagania homologacyjne oświetlenia drogi
w punktach 75R i 50R. Zaznaczono także odsetek pojazdów,
które spełniały wymagania minimalne przynajmniej w jednym
punkcie
Rys. 3. Wyniki jak na rys. 2. jednak po precyzyjnym ustawieniu
świateł zgodnie z wymaganiami. Ukazane są potencjalne możliwości
oświetlenia drogi wynikające z ustawiania
Badania brył fotometrycznych świateł mijania w warunkach eksploatacyjnych
331
Przy dokładnym ustawieniu wzrasta odsetek świateł spełniających wymagania homologacyjne. Jednak nadal ok. 60 % pojazdów nie spełnia ograniczonych do dwóch punktów wymagań minimalnych, a gdy je dalej zawęzić do
co najmniej jednego z dwóch punktów to jeszcze nieco poniżej 20 % świateł jest
poza tolerancją.
Należy zauważyć, że przy prawidłowym ustawieniu świateł wartości natężenia oświetlenia w punktach określonych w wymaganiach homologacyjnych
powinny być spełnione z nadmiarem. Są to bowiem wymagania minimalne,
ponadto określone dla napięcia 12 V. Przekroczenie wymagań minimalnych jest
niezbędne, aby uzyskać homologację. Dodatkowo w warunkach eksploatacyjnych napięcie na zaciskach żarówki jest wyższe, zwykle wynosi 13,2 ÷ 14 V.
Strumień świetlny żarówki jest wówczas większy o ok 30 − 40 %. Co najmniej
o tyle większe od wartości minimalnych powinny być więc zmierzone wartości
natężenia oświetlenia.
Potencjalne możliwości współczesnych technologii są oczywiście znacznie wyższe, gdyż nowoczesne żarówki mają większy strumień świetlny od
żarówki H4 zastosowanej w konstrukcji paraboloidalnej, a to właśnie takie
rozwiązanie przyjęto jako odniesienie. Ponadto strumień świetlny źródła światła
może być znacznie lepiej wykorzystany w nowoczesnych konstrukcjach reflektorów w stosunku do konstrukcji bazowej.
Wyniki badań pokazują jednak, że mechanizm zapewnienia jakości
oświetlenia reflektorowego jest niedoskonały.
3. ANALIZA JAKOŚCIOWA
Aby dokładniej przyjrzeć się problemowi dokonano analizy jakościowej
zarejestrowanych rozkładów natężenia oświetlenia (dla powierzchni ekranu
pomiarowego zarejestrowanych wspomnianym powyżej urządzeniem) przebadanych podczas próby reflektorów. Poniższe rysunki prezentują wybrane wiązki
świetlne wykazujące specyficzne cechy.
Rysunek 4 przedstawia ukształtowanie wiązki, które nosi wiele cech
rozkładu „optymalnego”. Rozkład „optymalny” to taki, który daje dobre oświetlenie drogi, szczególnie w dalszych odległościach i oświetla tam drogę możliwie
szeroko.
Na rysunku 4 widoczny jest obszar dużego natężenia oświetlenia o wartości ponad 12 lx. Jest to wartość minimalna wymagana regulaminem homologacyjnym [5] dla najjaśniejszych miejsc ekranu tj. punktów 50R i 75R. Roz-
332
T. Targosiński
ciąga się on szeroko w kierunku poziomym ale wąsko w pionie. Ukształtowanie
wiązki świetlnej w postaci poziomego, wąskiego pasa blisko GSC skutkuje
szerokim oświetleniem drogi w stosunkowo dużej odległości od pojazdu i to
zarówno pasa ruchu pojazdu, prawego pobocza, jak też pasa dla nadjeżdżających z przeciwka. Dobrze oświetlone są w takim przypadku łuki i zakręty.
Zwiększone wartości natężenia oświetlenia w okolicach punktów 50R i 75R
powodują polepszenie oświetlenia prawej krawędzi drogi, gdzie potencjalnie
mogą znaleźć się niebezpieczne obiekty, takie jak piesi, zwierzęta, nieoświetlone pojazdy.
Duże, korzystne natężenie oświetlenia drogi
>12lx
GSC
>6lx
Wąsko w pionie
Szeroko w poziomie
Rys. 4. Zarejestrowany rozkład natężenia oświetlenia o „optymalnym”
układzie. Uwypuklono wymagane minima w postaci izoluksów: 6lx dla
pierwotnych wymagań i 12 lx dla żarówek halogenowych. Zaznaczono
rzeczywistą, nieregularną GSC, oraz GSC aproksymowaną do kształtu
wzorcowego
Asymetria świateł jest umiarkowana, silna wiązka po prawej stronie nie
sięga ponad GSC, co ogranicza olśnienie na prawym łuku drogi. Mniejsze
natężenie oświetlenia poniżej powoduje, że droga blisko pojazdu jest umiarkowanie jasna, co zmniejsza poziom adaptacji wzroku, który lepiej przystosowuje
się do widzenia ciemniejszych obiektów w większych odległościach.
Na rysunku 5 przedstawiono inny rozkład, który co prawda spełnia
podstawowe wymagania regulaminowe i w klasyfikacji otrzymał pozytywny wynik, jednak można w nim zauważyć niekorzystne efekty.
333
Badania brył fotometrycznych świateł mijania w warunkach eksploatacyjnych
Maksimum jest skupione w pobliżu punktów 50 R i 75R jednak wartości
powyżej 12 lx zajmują stosunkowo niewielki obszar. Po lewej stronie ekranu
natężenie oświetlenia przyjmuje znacznie niższe wartości, co powoduje gorsze
oświetlenie lewego pasa ruchu, jak też zakrętów w lewo. Ponadto po prawej
stronie ponad GSC obszar zwiększonego natężenia oświetlenia powoduje dokuczliwe olśnienie nadjeżdżających z przeciwka, zwłaszcza na zakręcie w prawo. W takiej sytuacji jeżeli pojazd nadjeżdżający z przeciwka ma podobne światła
wówczas niewiele widząc w swoim pasie drogi (na jego lewym łuku) podlega
silnemu olśnieniu od nadjeżdżającego pojazdu (prawy łuk).
Oślepianie na zakręcie w prawo
>12lx
>6lx
Silna (ale zgodna z przepisami) asymetria
Rys. 5. Rozkład o silnej asymetrii
Na rysunku 6 pokazano rozkład natężenia oświetlenia charakterystyczny
dla konstrukcji paraboloidalnej.
W tym przypadku obszar oświetlany na ekranie ukształtowany jest
w stosunkowo jednorodną plamę z pewną koncentracją światła w okolicy wymaganych punktów. Silne oświetlenie obszarów blisko pojazdu (dół ekranu) powoduje znaczne podniesienie poziomu adaptacji wzroku. Wynika to z tego, że
natężenie oświetlenia przy powierzchni jezdni rośnie z odwrotnością kwadratu
odległości przy zbliżaniu się do pojazdu.
334
T. Targosiński
Nieregularna GSC utrudniająca
ustawianie świateł
>12lx
>6lx
Nadmiar światła blisko pojazdu,
pogorszona adaptacja wzroku
Rys. 6. Rozkład natężenia oświetlenia silnie oświetlający drogę
blisko pojazdu a słabiej dalsze obszary. Zauważalny nieregularny
kształt GSC
W efekcie następuje pogorszenie jakości postrzegania wzrokowego
w dalszych odległościach. Tymczasem właśnie tam wartości natężenia oświetlenia w nie są już zbyt duże. Natomiast subiektywne odczucia kierowcy będą
mylące. Widzi on dużo światła na drodze blisko pojazdu, więc myśli: „mam dobre światła”. Taka bryła fotometryczna to przykład „marnotrawstwa” i tak ograniczonego strumienia świetlnego.
Na rysunku 7 przedstawiono wiązkę świetlną o nietypowym kształcie.
GSC ma prawidłowy kształt. Natomiast wiązka o korzystnej małej pionowej
grubości i o zbliżonym do poziomego kształcie obniża się wyraźne w lewą
stronę. Skutkiem tego zasięg oświetlenia po lewej stronie pojazdu będzie
znacznie krótszy niż po stronie prawej, a obiekty, które mogą się tam znaleźć
będą później zauważone. Okolice punktów 75R i 50R są oświetlone zgodnie
z wymaganiami.
Światła takie w porównaniu z rys. 6. lepiej oświetlają prawą część drogi,
natomiast gorzej lewą. Jednak powodują mniejszy poziom adaptacji wzroku, co
jest korzystne. Natomiast subiektywnie będą odczuwane jako „gorsze” niż
światła z rys. 6. oraz świecące silne w lewo, co może powodować niepotrzebne
kierowanie wzroku w tę stronę drogi. Jest to bryłą fotometryczna uzyskana
z żarówki jednowłókowej, o nieco większym strumieniu świetlnym. Konstrukcja
335
Badania brył fotometrycznych świateł mijania w warunkach eksploatacyjnych
reflektora teoretycznie powinna jeszcze bardziej efektywnie ukształtować ten
strumień. Jednak reflektor ten kieruje w stronę drogi mniej światła niż reflektor
z rys. 6.
Na rysunku 8 przedstawiono światło, którego wiązka jest w dużej mierze
zaprzeczeniem ogólnych zasad.
słabe oświetlenie zakrętów w lewo
znacznie bliżej światło z lewej strony
Rys. 7. „Ukośna” wiązka świetlna
Bardzo wysoki poziom olśnienia
niewykrywany przy rutynowym ustawianiu
>61x
Nadmiar światła blisko pojazdu
pogorszona adaptacja wzroku
>12lx
Rys. 8. Bardzo jasna wiązka świetlna skierowana blisko pojazdu
w lewą stronę. Niedopuszczalne olśnienie. Przy tym wyraźna
i regularna GSC
336
T. Targosiński
Pomimo bardzo dużej jasności na znacznym obszarze ekranu większa
część strumienia świetlnego skierowana jest blisko pojazdu i pada na lewą
stronę drogi. Natomiast w punktach 75R i 50R wartości są na pograniczu
minimalnych. Ponadto światła takie wywołują bardzo silne olśnienie, chociaż
GSC jest wyraźna i łatwo je ustawić.
Inny przypadek obrazuje rys. 9.
Niewystarczające oświetlenie
toru ruchu pojazdu
Dwie silne wiązki po lewej i prawej stronie
Rys. 9. Wiązka światła podzielona na dwie części,
które oświetlają pobocza i zakręty. Za słabo oświetlony prostoliniowy tor ruchu pojazdu.
Można zauważyć podział wiązki światła na dwie części. Jedna skierowana jest na prawe pobocze, a druga na lewe. Tymczasem środek toru ruchu
pojazdu jest oświetlony niewystarczająco. Punkty 75R i 50R są także zbyt
ciemne. Stosunkowo niewielki rozmiar pionowy wiązek i bliska odległość od
GSC to zalety tych świateł.
Na rysunku 10 widać bryłę fotometryczną, która jest niejako „uzupełnieniem” światła z rys. 9. Wiązka światła skierowana centralnie dobrze oświetla
drogę, ale jedynie na wprost przed pojazdem. Zarówno zakręty jak i pobocza są
w tym przypadku niedostatecznie oświetlone.
Jak widać wiązki świateł mijania wykazują bardzo duże zróżnicowanie
w warunkach eksploatacyjnych. I chociaż spełnienie wymagań homologacyjnych nie gwarantuje jeszcze, że światła są wysokiej jakości to odsetek świateł
nie spełniających wymagań jest znaczny.
Badania brył fotometrycznych świateł mijania w warunkach eksploatacyjnych
337
Jedna, wąska, centralna wiązka światła
Rys. 10. Jedna wiązka światła. Dobre oświetlenie jedynie drogi na wprost przed pojazdem
4. PRZYCZYNY NIEDOSKONAŁOŚCI ŚWIATEŁ
W PRAKTYCE
Pokazane przykłady ukazują jak zróżnicowane i czasami niedoskonałe
są bryły fotometryczne świateł w praktyce. Jeżeli statystyka spełnienia ograniczonych wymagań homologacyjnych wskazuje niskie odsetki oznacza to znaczną rozbieżność tego co w teorii i tego co w życiu. Analiza jakościowa pokazuje
znacznie szerzej naturę problemu. Z konieczności ograniczono się do kilku charakterystycznych i jednoznacznych przypadków. Ocena ilościowa jakości konkretnego światła to zagadnienie znacznie bardziej złożone [2, 6, 7, 8]. Przyjęte do
celów opisywanego eksperymentu bardzo uproszczone kryterium (w postaci
ograniczonych wymagań homologacyjnych, zredukowanych do dwóch punktów
pomiarowych), ukazują, że stan oświetlenia w warunkach eksploatacyjnych dalece odbiega od minimalnych wymagań homologacyjnych stawianych obecnie
światłom.
Jedną z głównych przyczyn takiego stanu jest niedoskonałość sformułowania fotometrycznych kryteriów homologacyjnych [6]. Pozwalają one na dopuszczenie do eksploatacji świateł o rozsyle dalekim od optymalnego, a nawet
niekorzystnym z określonych względów. Pomimo to założenie wysłania w kierunku najważniejszych miejsc drogi pewnej minimalnej ilości światła pozwalającej na bezpieczną jazdę powinno zostać spełnione. To, że tak nie jest ma swoje
źródło w sposobie zapewnienia jakości świateł w warunkach eksploatacyjnych.
338
T. Targosiński
Niestety w obecnej sytuacji praktycznie nie są sprawdzane właściwości
świetlne reflektorów zainstalowanych na pojeździe. Na taką sytuację nakładają
się także inne czynniki, które w sposób niekontrolowany wpływają na pogorszenie właściwości świateł. Są to m.in.:
• Stosowanie do badań homologacyjnych żarówek wzorcowych o zawężonych tolerancjach w stosunku do żarówek produkcji masowej.
• Brak obowiązku badania podczas homologacji wrażliwości reflektora na
tolerancje żarówek.
• Silny wpływ stylistów preferujących zewnętrzne cechy wyglądu pojazdów i reflektorów, kosztem jakości bryły fotometrycznej.
• Niedoskonały sposób definiowania i sprawdzania parametrów żarówek,
prowadzący do obecności na rynku żarówek o parametrach znacznie
odbiegających od wymagań.
• Wtórny rynek tanich części zamiennych, w tym reflektorów, którego
znacząca część nie spełnia wymogów kontroli zgodności produkcji z typem homologowanym.
• Niewystarczająca wiedza pracowników serwisów i diagnostów oraz
użytkowników pojazdów w zakresie jakości oświetlenia.
• Niedoskonała metodologia ustawiania świateł i przyrządów używanych
do tego celu.
5. WNIOSKI
Pokazane przykłady ukazują jak zróżnicowane i czasami niedoskonałe
są bryły fotometryczne. Z drugiej strony współczesne technologie pozwalają na
konstruowanie reflektorów, które posiadają bardzo dobre właściwości, a przy
tym niekoniecznie są bardzo kosztowne.
Wydaje się, że potrzebnych jest kilka kierunków działań. Pierwszy z nich
to analiza i modernizacja wymagań homologacyjnych, zwłaszcza modelu matematycznego reflektora przyjętego jako punkt wyjścia do ich opracowania.
Drugie działanie to potrzeba weryfikacji wymagań, metod i przyrządów
stosowanych w diagnostyce eksploatacyjnej pojazdów.
Bardzo ważna jest także informacja i edukacja, która powinna być skierowana zarówno do producentów i dystrybutorów samochodowych urządzeń
oświetleniowych, kierowców i właścicieli pojazdów, jak też do osób odpowiedzialnych za badania laboratoryjne i eksploatacyjne, w tym pracowników warsztatów i diagnostów Stacji Kontroli Pojazdów.
Badania brył fotometrycznych świateł mijania w warunkach eksploatacyjnych
339
LITERATURA
1. Organizacja Narodów Zjednoczonych: Porozumienie dotyczące przyjęcia jednolitych
warunków homologacji oraz wzajemnego uznawania homologacji wyposażenia i części
pojazdów samochodowych, E/ECE/324. Sporządzone w Genewie 20 marca 1958 r.
2. Targosiński T.: Fotometryczne wyznaczniki oceny percepcji kierowców w światłach
reflektorów samochodowych. POOMT, Lądek Zdrój, 2005.
3. Diem C., Schmidt-Clausen H. J.: Headlamp Performance in Traffic Situations. Materiały
sympozjum „Progress in Automobile Lighting” PAL’97, Darmstadt, 09.1997.
4. Schwab G.: Illuminances and their curves at selected points in dynamic traffic situations.
Materiały sympozjum „Progress in Automobile Lighting” PAL’99, Darmstadt, 09.1999.
5. Organizacja Narodów Zjednoczonych: Regulamin nr 112 Europejskiej Komisji Gospodarczej
ONZ.
6. Targosiński T. Rozprawa doktorska. Metoda i kryteria oceny reflektorów pojazdów przy
użyciu analizatorów obrazu. Politechnika Białostocka, 2000.
7. Dokumenty robocze grupy GTB EuroNCAP, 2004,2005.
8. Dokumenty robocze grupy CIE TC 4-45, 2006.
Rękopis dostarczono, dnia 08.09.2006 r.
TESTING OF BEAM PATTERNS
OF PASSING BEAMS
IN EXPLOITATION CONDITIONS
T. TARGOSIŃSKI
ABSTRACT
In his paper are described results of
measurements of beam patterns of headlamps in use. Measurements
were done by computerized device with image sensor. Statistical
analysis of type approval requirements meeting were done as well as
qualitative analysis of characteristic beam patterns.
340
T. Targosiński
Dr inż. Tomasz Targosiński jest od 12 lat pracownikiem Instytutu Transportu Samochodowego w Warszawie. Początkowo zajmował się diagnostyką pojazdów
i aparaturą służącą do tego celu. Obecnie jego obszarem
działalności jest samochodowa technika oświetleniowa.
Wykonał pionierskie prace dotyczące zastosowania przetworników obrazu do pomiarów oświetlenia pojazdów.
W Zakładzie Oświetlenia i Wyposażenia Elektrycznego Pojazdów, którym kierował w latach 2001...2005, stworzył
zespół zajmujący się tą tematyką i wdrażał nowoczesne
metody i techniki pomiarowe. Członek międzynarodowych
grup ekspertów zajmujących się opracowywaniem nowych
metod badania i oceny oświetlenia. Wynalazca. Autor patentów krajowych i międzynarodowych.