Zavedení smart technologií do měst a obcí využitím prvků veřejného osvětlení

V současné době se veřejné osvětlení dostává díky nástupu nových technických celků do přelomové fáze. Je nutné provést zásadní rozvahu o tom, jak se bude veřejné osvětlení rozvíjet a kam se bude ubírat a zda je nutné se na tyto změny připravovat už v současnosti tak, aby mohl být jeho potenciál, zejména v souvislosti se smart cities, využíván.

Za dva základní atributy ovlivňující veřejné osvětlení lze považovat LED zdroje a jejich prudký rozvoj a progresivní rozvoj komunikačních systémů, zejména rozvoj optických vláknových sítí, internetu věcí (IoT), průmyslu 4.0 a mobilních sítí 5G v kontextu národního plánu pokrytí České republiky vysokorychlostním internetem. Jejich kombinací je možné dosáhnout nejen primárního zvýšení viditelnosti vlivem lepších barevných vlastností světelného toku a výrazně lepších možností jeho směrování na komunikace, ale zejména využití možnosti ovládat každé svítidlo, což se již nyní ukazuje být rozhodující. Takto koncipovanou napájecí soustavu lze využít celých 24 h a zároveň prostřednictvím ní napájet koncové aktivní prvky zařízení spadajících do kategorie smart city (free Wi-Fi pro obyvatelstvo, IP kamerové systémy, provozování techniky zajišťující komunikaci mezi vozidly WAVEp, environmentální měření a dynamické řízení dopravy).

Obr. 1. Ukázka zviditelnění přechodu pro chodce pomocí barevného
kontrastu při zajištění dostatečné viditelnosti chodce z pohledu řidiče

Výhody LED

Světelné diody se prosazují zejména díky svému vysokému měrnému světelnému výkonu, který umožňuje spolu s relativně jednoduchým a efektivním směrováním světelného toku realizovat osvětlovací soustavy veřejného osvětlení s výrazně nižším příkonem. To ale primárně se zvyšováním bezpečnosti na komunikacích přímo nekoresponduje. Pozitivní příspěvek ke zvýšení bezpečnosti je proto nutné hledat v kvalitativních aspektech. Při srovnání doposud dominantně využívaných světelných zdrojů (vysokotlaké sodíkové výbojky) s LED z pohledu všeobecného indexu podání barev vzrostla jeho hodnota 25 u vysokotlakých sodíkových výbojek na hodnotu vyšší než 70 u LED. Je to dáno tím, že spektrum vyzařování vysokotlaké sodíkové výbojky je relativně úzké a disponuje pouze vlnovými délkami okolo hodnoty 598 nm, které vyvolává zrakový vjem pouze v oblasti spektra žluté barvy. Rozlišení např. modré a zelené barvy ve spektru vysokotlaké sodíkové výbojky je velmi složité. To neplatí u světelných diod, jejichž spektrum je výrazně širší a vjem barev pod jejich světlem se blíží přirozenému. Výhodou je nejen široké spektrum, ale i možnost toto spektrum měnit. Co se týče náhradní teploty chromatičnosti, barva světla vysokotlaké sodíkové výbojky je teplá s teplotou chromatičnosti okolo 2 200 K a nelze ji přizpůsobovat potřebám komunikace. U LED lze při vypracovávání návrhu osvětlovací soustavy náhradní teplotu chromatičnosti volit, a tudíž i měnit barvu světla. Tuto možnost je vhodné uplatnit při generování barevného kontrastu v kritických oblastech komunikací. Aby byl barevný kontrast jasně rozlišitelný, měl by být poměr náhradních teplot chromatičnosti nejméně 1 : 1,5. Jinou náhradní teplotu chromatičnosti lze volit např. na mostech (vysoká teplota chromatičnosti s velkým obsahem modré složky) nebo k přisvětlení přechodů pro chodce. Barevným kontrastem se zviditelní samotný přechod i bez přítomnosti chodců (obr. 1).

Volba barvy světla je důležitá také z pohledu vnímání prostoru jako celku. Jde zejména o centra měst, kde bývá veřejné osvětlení velmi často součástí architektonického osvětlení, a o jejich obydlené oblasti. V těchto oblastech se pohybují nejen účastníci silničního provozu, ale také rezidenti, kteří před zrakovým výkonem preferují tzv. zrakovou pohodu. V souvislosti se zrakovou pohodou a nízkými osvětlenostmi a jasy (viz Kruithoffův diagram) dávají přednost nízké teplotě chromatičnosti, tedy teplým odstínům. Proti tomu však stojí chování lidského oka v tzv. mezopické oblasti. Jde o přechod mezi denním a nočním viděním. V této oblasti se právě nacházejí jasy způsobené veřejným osvětlením, a tudíž i adaptační jasy pod veřejným osvětlením. V rámci mezopického vidění se snižujícími se jasy se maximální spektrální citlivost lidského oka posunuje z větších vlnových délek (maximální citlivost na 555 nm, nižší teploty chromatičnosti, teplé odstíny barev) do menších vlnových délek (maximální citlivost na 507 nm, vyšší teploty chromatičnosti, studené odstíny barev). Pro toto chování oka je naopak dobré náhradní teploty chromatičnosti zvyšovat. K uvedenému kroku je ale vhodné přistupovat na komunikacích mimo obydlené zóny, bez chodců. V těchto situacích se využitím studeného světla zvyšuje viditelnost zejména v periferní oblasti vidění, a tudíž v oblastech mimo komunikaci, kde se lépe rozlišují překážky, které by mohly do vozovky vstoupit.

Obr. 2. Příklad jasových poměrů na komunikacích v souvislosti s možnými jasy způsobenými LED ve svítidlech

Z hlediska bezpečnosti je nutné zdůraznit i vliv směrování světelného toku. Jelikož jsou LED velmi malé světelné zdroje, lze realizovat malé optické systémy na každou LED a tím nastavit výsledné rozložení svítivosti tak, aby svítily pouze do míst zrakových úkolů, tedy na komunikaci a do relevantních oblastí v okolí komunikace. Díky uvedeným vlastnostem je možné vyrobit takové optické systémy, které jsou schopny vygenerovat požadovaný kontrast chodce na přechodu tak, aby byl chodec vlivem vhodného poměru horizontální osvětlenosti na přechodu, horizontální osvětlenosti komunikace před přechodem a za ním (náhrada adaptačního jasu) a vertikální osvětlenosti chodce ze směru přijíždějícího vozidla viditelný a zároveň nevznikaly tak velké kontrasty, aby přijíždějící řidič nebyl oslněn velmi vysokými jasy na přechodu vzhledem k jasu pozadí. Je-li přechod vzhledem k jeho okolí přesvětlen, nastává situace, kdy se podmínky viditelnosti zhorší, protože oko řidiče se adaptuje na vysoký jas přechodu, a na tmavou oblast za přechodem není schopno se adaptovat dostatečně rychle adaptovat.

Velmi důležitou vlastností LED je také jednoduchá regulovatelnost jejího světelného toku. LED lze regulovat v celém rozsahu (0 až 100 %) bez úbytku měrného světelného výkonu a bez zkrácení jejich doby života. Tato vlastnost se sice primárně týká energetické bilance osvětlovacích soustav, nicméně sekundárně se nemusí týkat pouze úspor elektrické energie, ale také přizpůsobení světelného toku okolí, hustotě a rychlosti dopravy a adaptačním jasům. Znamená to, že stejně jako u přídavných osvětlovacích soustav na přechodech pro chodce může někdy méně znamenat více. Jde zejména o oblasti center měst po vypnutí architektonického osvětlení a snížení hustoty dopravy. Zmíněná situace běžně nastává po půlnoci a trvá do asi 4 h ráno, kdy začíná ranní dopravní provoz.

Další velmi důležitou vlastností LED, kterou lze s výhodou využít ve veřejném osvětlení, je jejich rychlost spínání. Zatímco klasické světelné zdroje používané ve veřejném osvětlení (např. vysokotlaké sodíkové výbojky) nabíhají na jmenovitý světelný tok až po několika minutách a jejich opětovný zápal je také umožněn až po jejich vychladnutí (rovněž řádově minuty), LED tímto neduhem netrpí. Reagují okamžitým náběhem na jmenovitý světelný tok.

Světelný tok LED je možné modulovat za účelem přenosu dat. Jsou-li brány v potaz pouze bílé LED opatřené luminoforem, zpomalujícím jejich reakci na změnu elektrických parametrů, šířka pásma se pohybuje v řádu jednotek megahertzů (standardně 3,5 MHz). Použitím vhodného modulačního formátu světelného toku, ideálně v kombinaci s přenosem OFDM (ortogonální frekvenčně dělený multiplex), lze dosáhnout paralelního svícení a současného přenosu dat ve světelném toku, aniž by z pohledu pozorovatele kolísal výsledný světelný tok, přičemž přenosové rychlosti mohou být až 1 Gb/s.

Vzhledem k tomu, že žádné světelné zdroje nejsou dokonalé, ač se to z popsaných vlastností tak téměř jeví, je nutné upozornit na negativní vlastnost LED, která by naopak mohla bezpečnost na komunikacích snižovat. Jde o to, že LED jsou velmi malé světelné zdroje. Protože vyzařují světelný tok z velmi malé plochy disponují obrovskými jasy přesahujícími hodnotu 1 milion cd/m². Znamená to, že při pohledu přímo do zdroje tyto oslňují. Je tedy nutné klást velký důraz na clonění optických systémů přímo ve svítidlech a na umisťování svítidel v okolí vozovek tak, aby bylo možné v co největší možné míře omezit oslnění způsobené LED (obr. 2).

Obr. 3. Vizualizace potenciálu sítí veřejného osvětlení

Výhody přenosu dat ve veřejném osvětlení

Základní výhodu propojení topologie veřejného osvětlení s moderními komunikačními systémy lze spatřovat v tom, že se de facto zajistí datová konektivita na všech pozemních komunikacích v územních oblastech měst a obcí. Sítě veřejného osvětlení mají z tohoto úhlu pohledu dvě zásadní přednosti:
– strategická poloha sítí veřejného osvětlení; téměř kompletně pokrývají plochu všech měst a obcí,
– vlastnictví sítí veřejného osvětlení, dominantními vlastníky jsou právě municipality

Z uvedeného vyplývá, že síť veřejného osvětlení lze využít jako kostru (nositele) pro přenos a získávání informací z intravilánů měst a obcí. Tato infrastruktura se sice může jevit jako zastaralá, ale existuje a je ve vlastnických poměrech, které umožňují tuto veřejnou službu pozvednout na vyšší úroveň (obr. 3). Nejde pouze o řízení a ovládání samotného veřejného osvětlení, ale o možnost přenosu informací (free Wi-Fi pro obyvatelstvo, WAVEp pro zajištění komunikace mezi vozidly a komunikace mezi vozidly a infrastrukturou) do veřejného prostoru (informace o hustotě provozu, obsazenosti parkovišť, atd.), ale také o získávání informací z tohoto prostoru. Z bezpečnostního pohledu lze považovat za důležité zavedení bezpečnostních nebo dopravních IP kamerových systémů. Pro zajištění datové konektivity je nutné během přípravy obnovy a údržby veřejného osvětlení uvažovat o přesunu spínání veřejného osvětlení z rozváděčů do jednotlivých svítidel. Tímto krokem se zajistí, že síť veřejného osvětlení bude pod napětím celý den, ne jen v období bez přítomnosti denního světla. Permanentní přítomnost napětí sice primárně nezaručuje požadovanou konektivitu, ale umožní stále napájet jakékoliv technické zařízení, které to potřebuje. Datovou konektivitu sítě veřejného osvětlení lze zajistit třemi základními způsoby:
– přenosem signálu po napájecí síti veřejného osvětlení,
– instalací optických kabelů při realizaci nových liniových staveb v rámci veřejného osvětlení,
– využitím současných sítí mobilních operátorů (LTE, s výhledem na mobilní sítě 5G).

Každá z těchto možností má jisté přednosti a zároveň i nedostatky v samotné instalaci či ve vlastním provozu.

Závěr

Uvažováním o potenciálu sítě veřejného osvětlení i z jiných úhlů pohledu lze tuto veřejnou službu posunout na zcela novou úroveň a postupně rozšiřovat i její využití. V článku byl popsán její potenciál, který respektoval základní poslání veřejného osvětlení v kontextu postupného přechodu na současné zajištění datových služeb v celém rozsahu sítě veřejného osvětlení. Díky využití možností normalizovaných protokolů pro řízení osvětlení i datovou konektivitu je možné tento potenciál postupně uplatňovat a zajišťovat tak technicky otevřené pokrytí osvětlovaných komunikací a jejich okolí pro koncept Smart City při současné instalaci moderních osvětlovacích soustav osazených LED.

doc. Ing. Tomáš Novák, Ph.D., prof. Ing. Karel Sokanský, CSc.,
Ing. Petr Koudelka, Ph.D., doc. Ing. Radek Martinek, Ph.D.
VŠB – Technická univerzita Ostrava, Fakulta elektrotechniky a informatiky

---

Vyšlo v časopise Světlo č. 5/2017 na straně 46.
Tištěná verze – objednejte si předplatné: pro ČR zde, pro SR zde.
Elektronická verze vyšlých časopisů zde.