Исследования визуального восприятия красных железнодорожных светофоров на основе светодиодов

Введение. Светодиоды.

За последнее десятилетие в разработках полупроводниковых источников света – светодиодах произошел качественный скачок. Светодиоды повышенной яркости стали превосходить характеристики миниатюрных ламп накаливания по сроку службы, надежности, безопасности, что позволило широко применять светодиоды в разных областях светотехники и электроники.

Появление светодиодов повышенной яркости со сроком службы до 150 тыс. часов, малым потреблением электроэнергии и необходимым углом пространственного распределения силы света позволило приступить к разработке светооптических систем железнодорожных светофоров на их основе.

Светооптические системы светодиодные (ССС) красного цвета в настоящее время можно разрабатывать только на основе светодиодов с доминирующей длиной волны в спектре излучения 640 – 645 нм, что соответствует координатам цветности, входящим в нормируемую область цветовых характеристик красного сигнала, принятую для сигнализации на железнодорожном транспорте России [1], но в части световых параметров не удовлетворяющим требованиям [1] по осевой силе света. Однако, светодиоды с доминирующей длиной волны в спектре излучения 625 – 630 нм обладают световым потоком, в 2 — 3 раза большим, чем светодиоды с длиной волны 640 – 645 нм, но их координаты цветности не входят в существующую нормируемую область цветности. Совокупность этих противоречащих обстоятельств для описываемого случая использования светодиодов делает невозможным применение светодиодов красного цвета свечения для использования в светооптической системе светодиодной.

Изучив данную проблему, специалисты «Корвет-Лайтс» совместно с сотрудниками фотометрической лаборатории отдела охраны труда ВНИИЖТ пришли к выводу о необходимости исследования возможности расширения границ области цветности сигналов красного цвета для светооптической системы светодиодной железнодорожных светофоров путём эксперимента по вероятности восприятия в качестве красного, сигнала с координатами цветности, соответствующими красным светодиодам с доминирующей длиной волны 625-630 нм. в реальных условиях эксплуатации светофоров.

Обзор

По данным зарубежных стандартов [2, 3] и стандарта России на светофоры дорожные [1] области цветности, регламентированные для световых сигналов, отличаются от установленных в ГОСТ 24179-80 [4] допустимых областей цветности, принятых для световой сигнализации на железных дорогах России.

Международная комиссия по освещению (МКО) в официальных рекомендациях 1975 года [5] для каждого цвета сигнала предлагает по две области. Одна область определяется достаточно широкими границами цветностей, а другая является более строгой. Область с широкими границами цветностей выбрана в соответствии с числом используемых в сигнальных системах различных цветов и возможным влиянием внешних источников света. Более строгие границы областей сигналов определяют более узкие области цветности, которые обеспечивают высокую вероятность распознавания цвета сигнала в заданной сигнальной системе как для наблюдателя с нормальным зрением, так и для наблюдателя с дефектами цветового восприятия. Данные рекомендации относятся к световым сигналам, используемым на всех видах транспорта – автомобильном, железнодорожном, морском, воздушном. В стандартах Германии 1975 г. [2] также даны границы цветностей двух областей для каждого цвета.

Далее рассматриваются области цветности со строгими границами, которые рекомендуется использовать в случаях, когда требуется высокая вероятность надежного распознавания сигнала. На рис. 2 представлена часть диаграммы цветности, на которой указаны границы областей красных и желтых сигналов по данным Публикации МКО № 2.2 (ТС-1.6), стандартов TGL 20684 и DIN 6163, ГОСТ 25695-91 на дорожные светофоры и ГОСТ 24179-80 на сигнальные приборы железнодорожного транспорта. Области цветности для красного сигнала по стандарту DIN 6163 и Публикации МКО совпадают. Анализ данных рис. 2 показывает, что верхняя граница области цветности красного сигнала по ГОСТ 24179-80 находится на большем расстоянии от области цветности желтого сигнала, чем аналогичные границы по другим данным. Это свидетельствует о возможности расширения границы допустимой области цветности для квазимонохроматического красного сигнала в сторону границ желтого цвета.

Исследование особенности восприятия красных сигналов светооптических систем, созданных на основе светодиодов с разными доминирующими длинами волн, позволит уточнить границу допустимой области цветности для сигналов красного цвета систем светооптических светодиодных.

Методика проведения исследований и описание эксперимента

В ходе исследований особенности восприятия красного сигнала светооптической системы светодиодной (ССС) наблюдателю в случайном порядке предъявлялись сигналы с различными координатами цветности:

• точка 1 с координатами, лежащими на нижней границе области цветности желтого сигнала железнодорожного светофора;
• точка 2 с координатами, соответствующими излучению красного светодиода при температуре минус 60оС (рис 6);
• точка 3 с координатами, лежащими на верхней границе области цветности красного сигнала железнодорожного светофора ( рис.5).

Серия наблюдаемых сигналов за один раз состояла из равновероятного предъявления сигналов трех цветностей по 10 раз в случайном порядке. Изменение цветности предъявляемых сигналов проводилось изменением скважности свечения светодиодов красного и желтого цвета, из которых был собран наблюдаемый образец светооптической системы светодиодной.

Предварительно в лабораторных условиях были проведены измерения осевых сил света и координаты цветности излучений для различных вариантов интенсивности свечения светодиодов красного и желтого цветов. Во время исследований видимая яркость (светлота) сигналов различной цветности оставалась постоянной.

Задача наблюдателя состояла в определении цвета предъявляемого сигнала. При этом осуществлялась фиксация правильности ответа и времени от момента предъявления сигнала до момента опознавания его цвета наблюдателем. Исследования проводились в натурных условиях в дневное время в солнечные дни. Объект наблюдался с расстояния 1000 м на фоне открытого неба (рис. 9) и зелени. Постоянно фиксировалась яркость фона с помощью яркомера.

Установка для проведения исследований

Экспериментальная установка состояла из двух частей. Первая часть включает в себя раму, на которой закреплена экспериментальная светооптическая система светодиодная (ССС) мачтового железнодорожного светофора, построенная по принципу смешения 2-х цветов. Светоизлучающая часть системы включает в себя светодиодную матрицу с чередующимися в шахматном порядке диодами с линзой Френеля и углом расходимости 3 град. красного и жёлтого цветов излучения и электронный блок управления режимами светодиодов (рис. 3, 4).

Интенсивности свечения светодиодов выбраны таким образом, что при любой комбинации оттенков (или чистых цветов в соответствии с [1]) общая осевая сила света светооптической системы светодиодной остаётся неизменной и соответствует [1]. Управление интенсивностями свечения реализовано на принципе ШИМ с большим количеством дискретов, что позволяет установить заданные координаты цветности и необходимую осевую силу света с высокой точностью. Также этот блок управления светооптической системы светодиодной реализует режим случайного порядка воспроизведения трёх цветностй сигнала с координатами ( рис.2):

• точка 1 с координатами, лежащими на нижней границе области цветности желтого сигнала железнодорожного светофора;
• точка 2 с координатами, соответствующими излучению красного светодиода при температуре минус 60оС (рис 6);
• точка 3 с координатами, лежащими на верхней границе области цветности красного сигнала железнодорожного светофора ( рис.5).

Первая часть установки была размещена на крыше 8-ми этажного административного здания экспериментального железнодорожного кольца ВНИИЖТ для наблюдения на фоне неба (рис. 7)., а затем на балконе 2-х этажного здания для наблюдения на фоне зелени.

• штатив, на котором располагается шторка, перекрывающая сигнал экспериментальной светооптической системы светодиодной от глаз наблюдателя;
• пульт управления, с помощью которого открывается шторка с одновременным запуском электромиллисекундомера, на табло которого высвечивается определенный наблюдателем цвет сигнала и время от момента открытия шторки до принятия наблюдателем решения о цвете;
• две кнопки, соответствующие красному и желтому цвету, с помощью которых наблюдатель, принимая решение о цвете предъявленного сигнала, сообщает о нем экспериментатору и останавливает электромиллисекундомер.

Вторая часть экспериментальной установки была размещена на расстоянии 1000м от первой части. Связь между экспериментаторами, находящимися у 1-ой и 2-ой частей экспериментальной установки, осуществлялась с помощью раций. Экспериментальная установка была разработана и изготовлена специалистами ООО «Корвет-Лайтс» с участием ВНИИЖТ.

Скачать статью в формате pdf