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: tomasz.targosinski@its.waw.pl 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 GSC >12lx >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.
Badania brył fotometrycznych świateł mijania w warunkach eksploatacyjnych 333 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
Badania brył fotometrycznych świateł mijania w warunkach eksploatacyjnych 335 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.