2004

Výpočet umělého osvětlení v tunelu dle CIE 88/2004 A. Určení brzdné vzdálenosti ssd Brzdná vzdálenost sd je funkcí činitele tření f [-] , rychlosti u [km/h] a sklonu vozovky  [°] (viz CIE, kap. A2).

sd  u.t0 

u2 ; 2.g .( f  s )

s  tg  .

100

Průběh L(x) dle CIE88/2004

100.L(x)/Lth [%]

10

1 0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

1100

1200

1300

1400

x [m]

Směr jízdy

Obr. 1: Typický průběh jasů v tunelu

Tab. 1 Jasy okolí vjezdu do tunelu podle [1], [2], [3] (na severní polokouli)

Lc (oblohy) [kcd·m-2]

Lr (vozovky) [kcd·m-2]

Skály

Budovy

na sever

8

3

3

8

15 (V), 15 (H)

2

na východ či západ

12

4

2

6

10 (V), 15 (H)

2

na jih

16

5

1

4

5 (V), 15 (H)

2

Směr jízdy

Le (prostředí) [kcd·m-2] Sníh

Louky

(V) Hornatá krajina s příkrými svahy, (H) Rovinná krajina Poznámka: Tabulka platí na severní polokouli. V případě jižní polokoule je nutno směr jízdy na jih a na sever vzájemně prohodit.

Artechnic - Schréder a.s. Vinohradská 74 - 130 00 Praha 3 Tel.: +420 222 522 930 - Fax: +420 222 521 722 e-mail: [email protected] Member of Schréder Group G.I.E.

B. Adaptační osvětlení Obecně má podle CIE křivka jasu 6 částí, podle níchž se nazývají jednotlivé zóny:

B.1. Zóna prahového osvětlení TH1 má konstantni jas Lth1:

Lth1 ( x) ,

pro x 0; sd/2)

Publikace CIE definuje 2 metody určení tohoto jasu –metodu prahového kontrastu a metodu L20. Každá má svoje výhody a nevýhody – prvá je složitější, fysikálně exaktnější, přesto s jjistou okrajovou podmínkou ve vzorcích. Druhá je jednoduchá, v principu méně přesná vykazujíce v některých případech vysoké hodnoty Lth1 (v jiných případech naopak nižší).

Určení Lth1 : Metoda prahového kontrastu Tato metoda vychází z ekvivalentního závojového jasu Lseq a kontrastu jasů. Ekvivalentní závojový jas Lseq je jas, o který je třeba zvýšit původní adaptační jas, aby se ze stavu bez fyziologického oslnění dosáhlo prahu rozlišitelnosti jasu zjištěného při oslnění. Základním zrakovým úkolem v tunelu je rozeznat předmět (překážku) na vozovce. Jestliže by náš zrak nebyl ovlivněn okolními jasy, ale jen jasem vstupní dutiny tunelu, bude náš zrak adaptován jas Lp1, a k rozeznání předmětu bude zapotřebí alespoň jas Lo1 nebo vyšší, viz bod A1 v obr. 2. Jelikož je však náš zrak ovlivněn různými dalšími jasy (oblohy, okolí, vozovky apod.), jsme adaptováni na mnohem vyšší hodnotu Lp2, a tudíž k rozeznání předmětu je nyní zapotřebí jasu vyššího než Lo2, bod B. Pokud by umělé osvětlení v tunelu odpovídalo případu bez oslnění, byli bychom coby pozorovatelé oslněni, což ukazuje bod A2 ležící pod čárou prahu rozlišitelnosti. Předmět proto musí být osvětlen tak, aby jeho jas měl hodnotu vyšší než Lo2. Rozdíl adaptačních jasů Lp2 - Lp1 = Lseq se pokládá za měřítko působení rozptylu světla (vzniku závoje) v oku a nazývá se ekvivalentní závojový jas. Tento jas budeme v dalším textu hledat.

Lo2

Lo1

Obr. 2: Určení ekvivalentního závojového jasu Lseq

1


Ekvivalentní závojový jas od jednoho bodového zdroje Lseqi lze vypočítat pomocí Holladay-Stilesovy rovnice

Lseqi  10 

Eeye Θ2

[cd·m-2; lx, °]

(1)

kde je Eeye od oslňujícího zdroje osvětlenost oka v rovině proložené v místě zornice kolmo k optické ose oka, Θ úhel sevřený osou pohledu a spojnicí oka s oslňujícím zdrojem. Ve skutečnosti je oslňujícím zdrojem celé zorné pole řidiče. Polární diagram na obr. 3 reprezentuje takové zorné pole, které je rozděleno na jednotlivé plošky, z nichž každá představuje (bodový) zdroj oslnění. Velikost těchto plošek je dána tak, aby při stejném průměrném jasu jednotlivých plošek tyto vytvářely v oku stejný závojový jas, a to podle (1). Polární diagram se umístí na obrázek portálu tunelu, jak by byl viděn z brzdné vzdálenosti. Střed diagramu by měl být umístěn do středu vjezdu tunelu.

Obr. 3: Polární diagram představující zorné pole řidiče Tab. 2 Rozměry polárního diagramu dané vrcholovými úhly Kružnice 1 2 3 4 5 Vrcholový úhel 2,0° 3,0° 4,0° 5,8° 8,0°

6 7 8 9 10 11,6° 16,6° 24,0° 36,0° 56,8°

Nejprve určíme jednotlivé kružnice odpovídající předepsaným úhlům v CIE (tab. 2), vzniklé pole rozdělíme na 12 dílů. Ve vzniklých plochách Sij jsou různé plošky pij mající jasy Lij , které sečtením dají průměrný vážený jas Lij plochy Sij, neboť jest

 p  .L     p  .L    p  ij

L ij

ij

ij

ij

ij

[cd·m-2]

přičemž pij = 1. Součtem přes všechny plošky polárního diagramu tedy získáme celkový ekvivalentní závojový jas Lseq, přičemž střední část diagramu (2° kružnice) se do výpočtu Lseq nezapočítává. Dále se nezapočítávají sekce na obr. 3 označené ●. Celkový ekvivalentní závojový jas je dán vztahem

Lseq  5,1  10 4    ws Lij  Lws  m

n

[cd·m-2]

i 1 j 1

kde je

Lseq Lij

celkový ekvivalentní závojový jas; průměrný jas jednotlivé plošky měřený vně automobilu, před předním sklem.

2


Tento vztah upravíme na z hlediska výpočtu výhodnější tvar: m n   Lseq  5,1  10 4   ws  Lij  m.n.Lws   i 1 j 1 

(2)

Nelze-li jasy okolních ploch portálu tunelu změřit, použijeme údaje z tab. 1 Aby mohl řidič předmět (objekt, překážku, ostatní účastníky silničního provozu) na vozovce rozlišit, je nutné, aby tento měl oproti vozovce dostatečně rozdílný jas nebo koloritu. V případě objektu stejné kolority jako vozovka musíme zajistit možnost zpozorování tohoto předmětu dostatečným rozdílem jeho jasu Lo vůči jasu vozovky Lr. Pravděpodobnost zpozorování předmětu roste s velikostí kontrastu jasů

C

Lo  Lr Lr

[-]

(3)

Nejmenší rozlišitelný rozdíl jasů ΔLmin = Lo-Lr se nazývá prahem rozlišitelnosti jasu a jemu odpovídající kontrast je pak minimální prahový kontrast Cmin = 0,28 (podle CIE 88:2004 pro CBL systém). Jas Lo předmětu nacházejícího se na vozovce, který vidí řidič uvnitř vozidla skrze čelní sklo, je

Lo   ws   atm  Loi   ws  Latm  Lws  Lseq

[cd·m-2] (4)

kde je Loi jas povrchu předmětu, překážky; Latm závojový jas atmosféry; Lws závojový jas předního skla automobilu; Lseq ekvivalentní závojový jas; τws činitel prostupu předního skla automobilu; τatm činitel prostupu atmosféry. Obdobně lze jas vozovky Lr pozorovaný řidičem zevnitř vozidla vypočítat ze vztahu

Lr   ws   atm  Lri   ws  Latm  Lws  Lseq [cd·m-2] (5) kde je

Lri jas povrchu vozovky.

Jednotlivé závojové jasy v rovnicích (4) a (5) lze objasnit pomocí obr. 4 takto: Latm je závojový jas způsobený rozptylem slunečního světla v atmosféře ve směru pohledu řidiče (v přímce spojující oko řidiče a pozorovaný předmět). Lws je závojový jas způsobený rozptylem slunečního světla na předním skle automobilu (tato hodnota zahrnuje i rozptyl světla odraženého od palubní desky automobilu). Lseq je závojový jas způsobený rozptylem světla v oku řidiče od okolí (od předmětů vyskytujících se mimo přímku pohledu spojující oko řidiče a pozorovaný předmět).

Obr. 4: Jasy ovlivňující pohled řidiče při vjezdu do tunelu Tab. 3: Hodnoty závojových jasů Latm , Lws dle [1] Úroveň závojového jasu Vysoká Závojový jas atmosféry Latm [cd·m-2] 300 Závojový jas předního skla Lws [cd·m-2] 200

Střední 200 100

3

Nízká 100 50


V případě, že nemáme hodnoty činitelů prostupu atmosféry τatm a předního skla automobilu τws změřeny, uvažujeme τatm = 1, τws = 0,8. Dosazením vztahů (4) a (5) do rovnice (3) dostaneme

Cmin 

 ws atm Loi  Lri   ws atm Lri   ws Latm  Lws  Lseq

[-]

(6)

Budeme-li uvažovat, že pozorovaný předmět má dokonale difúzně odrážející povrch, můžeme napsat

  EVo    Loi

[-, lx;-,cd.m-2]

(7)

kde ρ je činitel odrazu povrchu předmětu; EVo je vertikální osvětlenost předmětu ve směru jízdy. Jako referenční předmět se uvažuje krychle o straně 0,2 m s dokonale difúzně odrážejícím povrchem a činitelem odrazu povrchu ρ = 0,2. Vertikální osvětlenost této krychle se pak bere jako osvětlenost ve výšce 0,1 m nad povrchem vozovky pozorovaná ze směru přijíždějících vozidel. Dále definujeme činitel podání kontrastu

qc 

Lri EVo

[-]

(8)

Hodnoty činitele podání kontrastu jsou definovány takto: qc = 0,2 pro symetrický systém osvětlení, qc = 0,6 pro protisměrný systém osvětlení (CBL). Z (7) vyjádříme jas povrchu předmětu Loi a dosadíme (8):

Loi 

  Lri   qc

[cd·m-2]

Dosazením rovnice (8) do vztahu pro výpočet prahového kontrastu (6) povrchu vozovky Lri

 ws Latm  Lws  Lseq  ws atm Lri   1      1  1 Cmin   .qc 

[cd·m-2]

(9)

dostaneme po úpravě jas

(10)

Lri je jas povrchu vozovky, který můžeme pro prahové pásmo označit jako jas povrchu vozovky prahového pásma Lth , čili

 ws Latm  Lws  Lseq  ws atm Lth   1      1  1 Cmin    qc  Ekvivalentní závojový jas Lseq jsme určili v rovnici (2), takže máme úplné odvození výpočtu prahového jasu Lth metodou kontrastu jasů.

4




m



i 1 j 1



n

 ws Latm  Lws  5,1 10 4   ws  Lij  mnLws  

 ws   atm  1      1  1 Cmin    qc 

Lth 

[cd·m-2]

(11a)

což můžeme upravit pro další počítání např. na tvar



Latm  1  5,1  10 4.m.n Lth 

L

ws

ws

 1  atm   Cmin

m

n

 5,1  10 4. Lij

[cd·m-2]

i 1 j 1

       1  1    qc  

(11b)

Rozborem (11a) nebo (11b) můžeme dojít k zajímavým závěrům; rovnice tyto nám rovněž pomohou při návrhu řízení osvětlení.

Určení Lth1 : Metoda L20 Tato metoda je založena na jasu bezprostředního okolí tunelu, které úzce souvisí s pozorovaným kritickým detailem a má největší vliv na jeho přímé rozlišení. Uvažuje se, že zrak řidiče je ovlivněn nejvíce jasy vyskytujícími se v 20° kuželovém poli. Vážený aritmetický průměr (podle ploch) těchto jasů se značí L20 . Jistý násobek jasu L20 určuje jas prahového pásma, tedy můžeme definovat poměr k

k

Lth L20

[-]

(12)

Poměr k je funkcí brzdné vzdálenosti (rychlosti) a jeho hodnoty jsou v tab. 4 (pozor, u starého vydání CIE88/1990 byl poměr k funkcí brzdné vzdálenosti, přičemž se rozlišoval typ svícení CBL versus PBL). Tab. 4: Hodnoty k pro různé rychlosti Rychlost [km·h-1] k = Lth / L20 ≤ 60 0,05 80 0,06 120 0,10

Jas 20° kuželového pole určíme jako zmíněný vážený průměr:

L20  přičemž platí takže

  Lc    Lr    Le    Lth      

,

        1, L20    Lc    Lr    Le    Lth

[cd·m-2]

(13)

kde je Lc jas oblohy; Lr jas povrchu vozovky; Le jas prostředí; Lth jas prahového pásma, γ podíl oblohy, ρ podíl vozovky, ε podíl prostředí, τ podíl vjezdu do tunelu ve 20° kuželovém poli. Jasy tyto určí se dle Tab. 2. Dosadíme-li za L20 z rovnice (13) dostaneme nakonec jas prahového pásma ve tvaru

Lth  k

  Lc    Lr    Le 1  k

[cd·m-2]

5

(14)


Určení podílů γ, ρ a ε: Pro stanovení γ, ρ a ε použijeme obrázek vjezdu do tunelu, do kterého nakreslíme kružnici o velikosti odpovídající části zorného pole ohraničeného vrcholovým úhlem 20° pozorovaným z brzdné vzdálenosti. Střed kružnice umístíme do středu šířky tunelu a do 1/4 výšky tunelu. Porovnání metod Metoda prahového kontrastu má velkou výhodu v tom, že objasňuje, které jasy a jak ovlivňují zrak řidiče při vjezdu do tunelu. Nevýhodou této metody je, že v určité fázi výpočtu Lth je na projektantovi, aby z tab. 3 zvolil správnou úroveň závojového jasů Latm a Lws. Bohužel publikace nikde neuvádí žádná kriteria Z rovnice (11) však plyne, že tento krok nejvíce ovlivní výslednou hodnotu jasu Lth . Metoda L20 je naopak velice jednoduchá a vede k rychlému získání výsledného jasu Lth, ale už tolik neobjasňuje, co se děje se zrakem řidiče při vjezdu do tunelu. Všechny postupy jsou jasně dány, a proto se skoro nelze dopustit při výpočtu Lth větších chyb. Jako příklad uveďme výpočet jasu prahového pásma tunelu Slivenec-Lahovice (portál Slivenec, jižní tubus v = 80 km·h-1, klesání s = -2,02 %, f(80 km·h-1) = 0,33, jízda na západ). Metodou L20 vyšel jas prahového pásma 300 cd·m-2. Metodou prahového kontrastu vyšel jas prahového pásma 264 cd·m-2, což je o 12 % méně než u metody L20. Faktem je, že výsledek 264 cd·m-2 je technickou zprávou CIE 88:2004 obhájitelný, ale jak je zmíněno výše, volba závojových jasů není nijak definována (v našem výpočtu uvažujeme střední hodnoty). Je totiž nabíledni, že praxe nás bude nutit volit nízké hodnoty bez ohledu na skutečnost.

B.2. Zóna prahového osvětlení TH2 s lineárně klesajícím jasem:

Lth 2 ( x)  1,2186.

Lth1 x  1,5929.Lth1 , sd

pro x sd/2; sd)

B.3. Zóna přechodová TR s jasem klesajícím podle obecné mocniny (-1,4):

x Ltr ( x)  Lth1 .(1,9  ) 1, 4 , v

pro x  sd

B.4. Zóny vnitřní IN1, IN2 (též průjezdní osvětlení DAY) s konstatním jasem Lin1 a Lin2 v závislosti na délce tunelu a brzdné vzdálenosti. Vnitřní osvětlení se nachází za přechodovým. Obecně se dělí na dvě části IN1 a IN2: pásmo IN1 s délkou rovnající se 30 s jízdy, pak, pokračuje-li tunel, následuje pásmo IN2. Tab. 3: Jasy vozovky v pásmu IN1 Brzdná vzdálenost sd [m] 160 60

Intensita dopravy malá Lin = 6 cd/m2 Lin = 3 cd/m2

velká Lin = 10 cd/m2 Lin = 6 cd/m2

Tab. 4: Jasy vozovky v pásmu IN2: Brzdná vzdálenost sd [m] 160 60

Intensita dopravy malá Lin = 2,5 cd/m2 Lin = 1,0 cd/m2

velká Lin = 4,5 cd/m2 Lin = 2,0 cd/m2

Pro jiné hodnoty sd je nutno v tabulkách interpolovat. Definice intensity dopravy je v Tab. 5.

6


Tab. 5: Intensita dopravy Intensita dopravy velká malá

Jednosměrný tubus [vozidel/hod/jízdní pruh]  1500  500

Obousměrný tubus [vozidel/hod/jízdní pruh]  400  100

Protáhneme-li toto osvětlení od začátku tunelu až na konec, dostaneme samostatnou soustavu nazývanou průjezdní.

B.5. Zóna výjezdová EX1

s lineárně stoupajícím jasem

 4.( x  xk  sd  20)   , kde xk je konec tubusu. Lex1 ( x)  Lin .1  sd  

B.6. Zóna výjezdová EX2 s konstatním jasem

Lex 2 ( x)  5.Lin

C. Noční osvětlení NIGHT

V případě, že se tunel nachází na neosvětlené silnici, má mít noční osvětlení v tunelu průměrný jas alespoň Lnoc= 1 cd/m2, Uo= 40 %, Ul= 60 %. Je-li tunel součástí osvětlené komunikace, pak jeho noční osvětlení budiž alespoň stejných parametrů jako je VO této komunikace.

D.

Ovládání adaptačního osvětlení

Protože jasové podmínky se v průběhu dne mění, musíme jim úroveň osvětlení přizpůsobit. Nejsnazším a dosud nejúspornějším řešením je vypínat (či zapínat) skupiny svítidel. Přitom je důležité, aby při spínání nebyl nikdy překročen poměr k=Lth/L20 uvedený v tab. 1.

E. Zakázané rozteče

Zakázané rozteče mezi svítidly (týkají se jen soustavy průjezdního denního resp. nočního osvětlení) vnímá řidič jako nepříjemné míhání ( při kmitočtu 2,5 Hz až 15 Hz), které by mohlo negativně ovlivnit jeho reakce. Tyto rozteče se počítají pro dobu jízdy tunelem delší než cca 20 s. Svítidla nesmějí míti rozteče od r1 = v/f1 do r2 = v/f2, kde f1= 4 Hz, f2= 11 Hz.

F. Veřejné osvětlení na komunikacích před a za tunelem

Komunikace musejí být dle CIE silnice za tunelem ještě osvětleny v délce rovnající se alespoň dvojnásobku brzdné vzdálenosti sd (změna oproti starému vydání CIE ! ). Průměrný jas LVO by neměl klesnouti pod 1/3 jasu nočního osvětlení v tunelu, tj. LVO = Lnoc/3.

7


1000

Severní tubus, ADAPTAČNÍ PÁSMA (portál Lahovice) Stupně spínání 1. až 4. 80 km/h

L(x) -2

[cd.m ]

100

10

Směr jízdy

1 0

50

100

150

200

250 x [m ]

G.

Všeobecné poznámky

Pro zajištění nejlepších podmínek visuálních je třeba, aby vozovka před portálem byla co nejtmavší, zatímco uvnitř tunelu co nejsvětlejší. Jas příjezdového pásma Lseq resp. L20 je zcela prvotní a rozhodující veličinou. Měla by proto být co nejmenší, což prakticky znamená, aby měl řidič ve svém zorném poli co nejméně oblohy, aby se mu okolí tunelu jevilo tmavé. Z toho důvodu je dobré, aby nad portálem byl kopec, stromy či les, anebo uměle vybudovaný štít.

H.

Literatura [1] [2] [3] [4] [5] [6]

CIE 88:2004 Guide for the lighting of road tunnels and underpasses. CIE 88:1990 Guide for the lighting of road tunnels and underpasses. CEN/TC 169/WG 6 Tunnel lighting. Habel J. : Osvětlování. Skriptum ČVUT, Praha 1998. CIE 61:1984 Tunnel entrance lighting. Paseka P.: Osvětlování silničních tunelů, dipl. práce ČVUT FEL 2009

8

2004

Recommend Documents