Oktober
Onderzoek naar nieuwe wegverlichting: Probeam
Energiezuinige oplossing voor veilige en comfortabele verlichting
Wegverlichting verhoogt de veiligheid voor het verkeer bij minder of geen daglicht. Het verbetert de visuele prestaties en geleiding, de alertheid en het visueel comfort. Een nadeel is het relatief hoge energiegebruik, vooral wanneer de verlichting grote delen van de nacht brandt, terwijl er geen verkeer is. Voor zijn promotie aan KU Leuven/TU/e deed dr.ir. Rik Marco Spieringhs onderzoek naar het Probeam-concept als energiezuinige, maar niet minder veilige oplossing voor wegverlichting.
Het verband tussen goede wegverlichting en het aantal verkeersongelukken in het donker is door verschillende organisaties wereldwijd onderzocht. De conclusie is eenduidig: wegverlichting reduceert het aantal ongelukken. Bij schemering en wanneer het volledig donker is (en de bestuurder het met alleen de koplampen van zijn auto moet doen), zien bestuurders minder van hun omgeving, de weg waarop zij rijden en de objecten die zij tegenkomen. Daarbij zijn automobilisten zich vaak niet bewust van hun slechte nachtzicht wat leidt tot evenveel ongelukken ’s nachts als overdag, terwijl er overdag drie keer meer verkeer is. Andersom toont onderzoek aan dat een goede wegverlichting de veiligheid van automobilisten verbetert en het aantal ongevallen ’s nachts met minstens 17 procent vermindert.
Deze cijfers zijn een belangrijke reden om wegen ’s nachts te verlichten en zo het aantal ongelukken te reduceren. We hebben echter ook te maken met het elektriciteitsverbruik dat hiermee gepaard gaan. België, Nederland en andere Europese landen hebben de Europese klimaatwet ondertekend om in 2050 een netto nuluitstoot van broeikasgassen te bereiken. Eén manier om deze ambitie te verwezenlijken is het sterk terugdringen van het energiegebruik van wegverlichting. In lijn hiermee heeft Nederland zich tot doel gesteld om het energiegebruik van straatverlichting in 2030 met 50 procent te verminderen ten opzichte van 2013. Vanuit duurzaamheidsoogpunt ligt er dus juist een focus om wegverlichting te dimmen of zelfs te verwijderen. Onderzoeker Rik Marco Spieringhs: ‘De twee gecombineerde doelstellingen vragen om een nieuw type wegverlichting dat minder energie gebruikt, het liefst 50 procent, maar daarbij de verkeersveiligheid niet significant verlaagt.’
Dit vraagstuk is niet geheel nieuw. In de afgelopen jaren, zelfs decennia, zijn al verschillende energiebesparende concepten voor wegverlichting ontwikkeld en getest.
• Een eerste vorm van laaghangend fruit is de inzet van efficiëntere energiebronnen. Sinds Nederland vanaf 2013 de oude lage- en hogedruknatriumverlichting vervangt door ledverlichting, is het energiegebruik voor straatverlichting al met ongeveer 5 procent gedaald.
• Daarnaast is veel onderzoek gedaan naar slimmere verlichtingsconcepten die de zichtbaarheid en het contrast van objecten optimaliseren dankzij een speciale lichtintensiteitsverdeling (LID) van de armaturen.
Drie soorten lichtverdelingen voor tunnelverlichting. Van boven naar beneden: symmetrisch verlichting, Probeam-verlichting en tegenstraalverlichting.
Slimme concepten
Bij een proef met tunnel- en voetgangersverlichting zijn armaturen met speciale LIDs ontworpen om de verticale verlichtingssterkte te vergroten. Deze armaturen verlichten objecten op de weg in plaats van het donkere wegdek zelf. Op dezelfde manier zijn deze armaturen te optimaliseren om de reflectie-eigenschappen van wegmarkeringen maximaal te benutten. Hiermee worden de conventionele methoden verlaten waarbij autokoplampen als uitgangspunt worden genomen voor het reflecteren van de wegmarkeringen. Theoretische berekeningen geven aan dat de LIDs grotere contrasten realiseren bij dezelfde lichtstroom, of met andere woorden: hetzelfde contrast bij een lagere lichtstroom kunnen genereren. Het effect is daarbij niet alleen gunstig voor automobilisten, maar ook voor op beelden gebaseerde geavanceerde rijhulpsystemen (Adas).
Een ander slim verlichtingsconcept is gebaseerd op Probeam. Dit is een nieuw wegverlichtingsconcept, gebaseerd op een LID, waarbij het grootste deel van de lichtintensiteit in de rijrichting wordt uitgestraald. In zijn promotieonderzoek heeft Spieringhs de mogelijkheden onderzocht van dit veelbelovende concept met het oog op behoud van de veiligheid en verlaging van het energiegebruik.
Spieringhs: ‘Het Probeam-concept maakt gebruik van een nieuwe generatie wegverlichtingsbronnen (led), wegmarkeringsmaterialen en verbeterde lichtcontrole waarmee de lichtstroom in de kijk- of rijrichting straalt. Waar we in fietstunnels met Probeam al veelbelovende resultaten hebben behaald, is de kennis over het toepassen van Probeam op snelwegen nog niet onderzocht. Onderzoek lijkt de moeite waard: autokoplampen ondersteunen de bestuurder namelijk de eerste 60 m op basis van de retroreflecterende eigenschappen van wegmarkeringen. Op grotere afstanden zou Probeam wegverlichting het over kunnen nemen, maar voordat we deze goed kunnen toepassen is meer onderzoek nodig.’
Spieringhs doelt erop dat voor dit type verlichting – met specifieke invals- en kijkhoeken – eerst de contrastdrempel moet worden bepaald tussen een wegmarkering en het omringende wegdek. En dit voor zowel voor jongere als oudere bestuurders. Ten tweede is het noodzakelijk de reflectie-eigenschappen van wegmarkeringen en wegoppervlakken te begrijpen binnen de zeer specifieke verlichtingsgeometrie die inherent is aan het Probeam-concept. Met deze kennis zijn vervolgens richtlijnen te ontwikkelen voor een effectieve verdeling van de Probeam-lichtintensiteit.
Op basis van literatuuronderzoek heeft Spieringhs de kennis bijeengebracht waarmee deze vraagstellingen zijn beantwoord. Vervolgens is gestart met het uitvoeren van experimenten in het kader van het onderzoek naar de potentie van het Probeam-concept. De doelstelling is om te achterhalen of dit specifieke slimme verlichtingsconcept kan bijdragen aan de verkeersveiligheid bij een lager energiegebruik.
Experimenten
In het Probeam-concept richten armaturen het grootste deel van hun lichtstroom in de kijkrichting van de bestuurder. Eén van de doelstellingen is om op die manier retroreflecterende wegmarkeringen te verlichten op afstanden buiten het bereik van de koplampen van auto’s en zo een optimale geleiding voor gemotoriseerd verkeer te creëren.
Om Probeam te optimaliseren wat betreft de balans tussen energiegebruik en verkeersveiligheid, maar ook om het verlichtingsniveau te bepalen dat in de praktijk moet worden toegepast, is het essentieel om inzicht te krijgen in de contrastperceptie tussen wegmarkeringen en het wegdek. De optische kenmerken van de wegomgeving zijn daarbij van cruciaal belang om het optimale verlichtingsniveau te bepalen dat voldoet aan de vereisten voor contrast en zichtbaarheid. Met andere woorden: er zijn gegevens nodig over de lichtintensiteitsverdeling van de lichtbron en de reflectiekarakteristieken van wegmarkeringen en wegdekmaterialen. Voldoende contrast tussen het wegdek en de wegmarkeringen is cruciaal voor een veilige en comfortabele rijervaring.
Om deze gegevens te achterhalen en op basis hiervan een contrast(drempel)model te ontwikkelen, is een experiment opgezet waarbij deelnemers een rendering van een snelweg te zien kregen. Op deze rendering zijn pijlen van wegmarkeringen van verschillende grootte en luminantie te zien. Aan de deelnemers werd vervolgens gevraagd de richting van de pijl aan te geven. De luminantie van het wegdek, als achtergrond voor de markeringen, werd ook gevarieerd. Vanwege de zeer lage luminantiewaarden en de zeer kleine verschillen in luminantie, heeft het onderzoeksteam speciale aandacht moeten besteden aan de meetnauwkeurigheid en kalibratie.
Een meetopstelling waarbij het blauwe vakje de luminantiecamera aangeeft, het rode vakje de vaste lichtbron en het groene vakje het monster en de monsterhouder.
Spieringhs: ‘De resultaten kwamen vervolgens goed overeen met het zichtbaarheidsmodel van Adrian (een model dat vaak wordt gebruikt bij wegverlichting). Vooral met betrekking tot luminantiecontrast, achtergrondluminantie en pijlgrootte. Meer recentelijk zijn er nieuwe (meestal ‘image based’) contrastmetrieken voorgesteld die ook de zichtbaarheid boven de drempelwaarde voor contrast voorspellen, maar de bijbehorende zichtbaarheidsdrempels zijn nog niet bekend. Daarom werden de contrastdrempels voor deze contrastmodellen experimenteel bepaald. Helaas bleek het onmogelijk om voor deze contrastmodellen één unieke contrastdrempelwaarde te bepalen die onafhankelijk is van de hoekgrootte van het object en de luminantie van de weg. Contrastwaarneming bleek namelijk onder meer afhankelijk van de leeftijd van de waarnemer.’
Leeftijd
In een tweede experiment werden de contrastdrempels van ouderen bepaald en vergeleken met de resultaten van een jongere deelnemersgroep. Daarnaast werd de invloed van verblinding op de contrastdrempels onderzocht en vergeleken met de voorspelling van het model van Adrian. De resultaten wijzen op een interactie-effect tussen de hoekgrootte van de pijl, de luminantie van het wegdek en verblinding. Gemiddeld waren de drempels voor luminantieverschillen altijd hoger in aanwezigheid van een verblindingsbron dan zonder een verblindingsbron. Zoals verwacht was dit verschil het grootst bij de laagste luminantie van het wegdek. Bij het vergelijken van de resultaten tussen de leeftijdsgroepen werd een duidelijk leeftijdseffect zichtbaar. Niet verrassend zijn de drempelwaarden voor luminantieverschillen bij oudere deelnemers hoger dan bij jongere deelnemers. Het model van Adrian voorspelde slechts matig tot slecht de experimentele drempelwaardes.
Retroreflecterende eigenschappen
Wanneer simulaties van wegverlichtingsconcepten moeten worden uitgevoerd, is het belangrijk om de reflecterende eigenschappen van het wegdek en de wegmarkeringen te karakteriseren. Alleen zo is immers het luminantieniveau van deze materialen te voorspellen. De meeste reflectiegegevens voor wegverlichtingsmaterialen zijn beperkt tot die hoeken met betrekking tot de verlichtings- en kijkrichting die van toepassing zijn voor standaard symmetrische wegverlichtingsconcepten.
Luminantiebeeld van een voetganger met retroreflecterend vest, gepositioneerd op 25 m van de lichtmast met behulp van Probeam-verlichting. De luminantie is kleurgecodeerd door de kleurenbalk op een logaritmische schaal.
Spieringhs: ‘In deze studie is het aantal hoeken uitgebreid en onderzocht of de retroreflecterende eigenschappen van gewone wegmarkeringsmaterialen zijn vast te leggen met bestaande BRDF-modellen.’ BRDF staat voor ‘bidirectional reflectance distribution function’ en betreft een functie van vier reële variabelen die bepalen hoe licht van een bron wordt gereflecteerd door een ondoorzichtig oppervlak.
BRDF-metingen van verschillende wegmarkeringsmaterialen zijn uitgevoerd in een ‘large near field goniometer’ (LNFG) die enigszins werd aangepast voor deze niet-standaard metingen. De BRDF-metingen voor verschillende kijkhoeken en invalshoeken zijn uitgevoerd door zowel de houder (waardoor de invalshoek veranderde) als de luminantiecamera (waardoor de kijkhoek veranderde) te draaien.
Spieringhs: ‘We onderzochten hiermee in hoeverre bestaande BRDF-modellen passen bij de gegevens. Dit bleek uiteindelijk het klassieke Phong-model te zijn dat is aangepast naar ‘RetroPhong’ model. Dit model presteert het best ten aanzien van de beschrijving van het reflectiegedrag van de onderzochte materialen.’
Finale test
Met een beproefd contrast(drempel)model en een model voor de retroreflecterende eigenschappen van wegmarkeringen is vervolgens een typische lichtintensiteitsverdeling voor een Probeam-armatuur te berekenen. In deze berekeningen is Probeam vergeleken met de meer traditionele, symmetrische wegverlichtingsconcepten wat betreft een implementatie op een (Nederlandse) snelweg.
Spieringhs: ‘Uit de berekeningen blijkt dat Probeam-verlichting de gemiddelde zichtbaarheid van objecten en wegmarkeringen verbetert ten opzichte van symmetrische verlichting. Dit is echter alleen mogelijk bij een toename van de lichtstroom van 14 procent wanneer de huidige normen voor wegverlichting worden gehanteerd. Door het ontwerp van de Probeam-armatuur echter af te stemmen op de gemiddelde bereikte zichtbaarheid van verticale objecten bij symmetrische verlichting, daalt het energiegebruik met 52 procent. Halvering van de hoogte van de Probeam-armatuur leidt verder tot een indrukwekkende energiebesparing van 82 procent. Bij deze aanpak wordt echter niet meer voldaan aan de huidige normvereisten voor wegverlichting.’
De ‘proof of concept’ is tot slot in de praktijk gevalideerd met veldmetingen op de campus van KU Leuven-Gent en het testcentrum van DienstWegverkeer (RDW) in Lelystad. Spieringhs: ‘De veldmetingen gaven aan dat Probeam goed kon presteren, maar wel een hinderlijke reflectie/verblinding in de zijspiegel van de auto produceerde. Dit probleem werd verder onderzocht met simulaties en resulteerde in het definiëren van een andere zone die door de Probeam-armatuur wordt uitgelicht. Op basis hiervan is een geoptimaliseerde LID van de Probeam-armatuur voorgesteld.’
Conclusie
Het onderzoek geeft aan dat Probeam-verlichting verschillende voordelen heeft ten opzichte van het gebruik van klassieke symmetrische verlichting van snelwegen. Ten eerste voorkomt het verblinding (wat vooral belangrijk is voor oudere bestuurders). Daarnaast verhoogt het de verticale verlichtingssterkte en het contrast. Tevens maakt het concept slim gebruik van de retroreflecterende eigenschappen van wegmarkeringen om bestuurders buiten het bereik van de koplampen van auto’s beter te leiden.
Spieringhs: ‘De hoofdconclusie als antwoord op de vraagstelling, is dat de toepassing van het Probeam-concept leidt tot een vermindering van het energiegebruik met behoud van de verkeersveiligheid. De belangrijkste kanttekening is dat hierbij de huidige normen voor wegverlichting niet strikt kunnen worden nageleefd. Dit komt omdat de normvereisten voortkomen uit het algemeen aanvaarde ‘silhouetprincipe’ waarbij een object of persoon buiten het bereik van de koplampen van auto’s zichtbaar moet worden in negatief contrast met de achtergrond. Het gebruik van Probeam vertegenwoordigt een paradigmaverschuiving waarbij juist positief contrast wordt nagestreefd en gaat verder dan het traditionele silhouetprincipe. Mocht het zover komen dat het Probeam-verlichtingsconcept in de praktijk wordt gebracht, dan is het belangrijk dat er aandacht wordt besteed aan de acceptatie van op positieve contrasten gebaseerde verlichtingsconcepten en een aanpassing van de normen.’
Bron
- Spieringhs R.M., ‘Development of a new road lighting concept’, KU Leuven/Technische Universiteit Eindhoven, Gent (B) / Eindhoven, 2024.
Tekst: ing. Marjolein de Wit - Blok
Fotografie: Rik Marco Spieringhs