Přehodnocení formátu souboru fotometrických dat ANSI / IES TM-33

Se zvyšujícím se výpočtovým výkonem si inženýrské disciplíny nelze představit bez simulací. V oblasti osvětlení se fotometrická data a jejich elektronické zpracování staly jedním z nejdůležitějších nástrojů pro návrh svítidel a návrh osvětlení. Tato data jsou dnes poskytována ve formátu IES LM-63, což je formát, který mezitím dosáhl svých limitů. P. Eng. (Ret) Ian Ashdown, hlavní vědec společnosti SunTracker Technologies Ltd., vysvětluje, proč nastal čas pro změnu na nový standard, a podrobně diskutuje o nově navrhovaném standardu a jeho vlastnostech: ANSI / IES TM-33, respektive UNI 1603054.

Uplynulo 30 let od vydání první verze IES LM-63-86, doporučeného standardního formátu souborů IES pro elektronický přenos fotometrických dat. Po třech revizích, které se týkaly zejména specifikace formátu souboru, se IES LM-63 stále zaměřuje na „staré technologie“ a nezohledňuje nové požadavky.

Jako profesionální návrháři osvětlení musíme nyní zvážit svítidla měnící barvu, divadelní osvětlení, osvětlení zaměřené na člověka, zahradní osvětlení, ultrafialové sterilizační jednotky, sálavá topná zařízení a další. Musíme zvážit rozdělení spektrálního výkonu, poměry S / P, melanopické a mezopické lumeny, rozložení zářivé a fotonové intenzity, fotosynteticky aktivní záření (PAR), distribuce hustoty ozáření a fotonového toku, metriky barevného podání… seznam pokračuje a dále (Poznámka) : Fotonový tok, také běžně označovaný jako kvantový tok, je rychlost toku fotonů. Sálavý tok, ve srovnání, je rychlost toku energie. Energie fotonu je nepřímo úměrná jeho vlnové délce, takže kvantový tok není přímo srovnatelný s tokem záření).

Formáty souborů LM-63 a EULUMDAT jsou zjevně neschopné charakterizovat svítidla pro tyto aplikace. Je tedy čas, přehodnotit formát souboru fotometrických dat. Je to však více než jen fotometrická data; musíme o optických datech svítidla uvažovat.

Stručná historie IES LM-63

Pokud dnes provádíte výpočty návrhu osvětlení, můžete poděkovat práci před třiceti lety počítačového výboru Iluminating Engineering Society (IESCC). Její členové uznali průmyslovou potřebu, a proto vyvinuli a zveřejnili IES LM-63-86, doporučený standardní formát souborů IES pro elektronický přenos fotometrických dat. S rostoucí popularitou osobního počítače IBM pro obchodní aplikace to byl výborný nápad.
Potřeba byla jasná: Lighting Technologies (Boulder, CO) vydala svůj softwarový produkt pro návrh a analýzu osvětlení Lumen Micro v roce 1982 a výrobci svítidel potřebovali poskytnout fotometrická data pro své výrobky. IES LM-63 byl pro ně božským posláním v tom, že vytvořil standardní souborový formát.

V souladu s tehdejší technologií byl formát souboru textem ASCII čitelným člověkem, což bylo možné vytisknout pomocí jehličkové tiskárny. Výsledkem byly také soubory jen několika kilobajtů, což byla určitá výhoda, když byly datové soubory přenášeny poštou na disketách o velikosti 5-1 / 4 palce schopných pojmout 360 kilobajtů dat.

Samotný formát souboru odhalil něco ze svého původu omezením délky řádků na 80 znaků - šířka děrné karty IBM Hollerith v 60. letech (Obrázek 1).

Obrázek 1: 80 děrné karty IBM Hollerith 80 (Credits: Wikimedia Commons [1])

O tři desetiletí později jsou naše osobní počítače tisíckrát rychlejší, s milionkrát větší kapacitou paměti a deset miliónkrát větší kapacitou úložiště dat. Data jsou přenášena optickými kabely a satelitními spoji rychlostí gigahertzů… a stále používáme fotometrické datové soubory IES LM-63!

Toto se samozřejmě týká hlavně Severní Ameriky. V Evropě je ekvivalentním formátem souboru EULUMDAT, který byl představen v roce 1990 pro použití s ​​operačním systémem MS-DOS 3.0 společnosti Microsoft. Znovu, v souladu s tehdejší technologií, to byl také lidsky čitelný text ASCII.

Abychom byli spravedliví, LM-63 byl revidován v letech 1991, 1995 a 2002. Tyto revize však v nejlepším případě vylepšily specifikaci formátu souboru, aby vyřešily různé nejasnosti a přidaly několik drobných funkcí. To, co dnes máme, je v podstatě to, co bylo publikováno v roce 1986, v době, kdy vrcholem technologie lampy byla kompaktní zářivka s elektronickým předřadníkem.

Pokud má formát souboru LM-63 výhodu, je to, že je to norma ANSI / IES, která je udržována mezinárodně uznávanou normalizační organizací. EULUMDAT je naproti tomu de facto norma, která byla od svého zveřejnění v roce 1990 v zásadě zmrazena. Bez oprávnění organizace pro normalizaci, jako je ANSI / IES nebo CEN (Evropský výbor pro normalizaci), zachovat formát souboru, nikdy ji nelze revidovat.

Dnes je problém ten, že zatímco LM-63 a EULUMDAT jsou stále užitečné, pokud jde o charakterizaci architektonických a silničních svítidel, světelný průmysl se posunul za hranice distribuce svítivosti.

Mezinárodní standard

Od září 2016 zahájila IESCC projekt vývoje norem pro reprezentaci optických dat svítidla. Vzhledem k dnešním globálním obchodním sítím bylo bezpodmínečně nutné, aby standard byl spíše mezinárodní než regionální nebo národní. Do projektu se proto zapojilo asi padesát společností z oboru osvětlení a odborníci z celého světa.

O dva roky později se úsilí podařilo nad všechna očekávání. IESCC úzce spolupracovala s Italskou národní normalizační organizací (UNI), technickou komisí CT023, Světlo a osvětlení, aby vytvořila dvě funkčně ekvivalentní verze normy: ANSI / IES TM-33, standardní formát pro elektronický přenos optických dat svítidla, a UNI 1603054, Světlo a osvětlení - Specifikace formátu výměny fotometrických a spektrometrických dat světelného zařízení a lamp. Od tohoto článku CIE zvažuje přijetí normy jako společné publikace CIE / ISO. Mezitím CIE Division 1 zřizuje nový technický výbor, který má udržovat to, co se stalo, jak se plánovalo, mezinárodní normou.

Pro stručnost bude v tomto článku tato norma označována jako „TM-33“. Všechny informace a komentáře se však vztahují na UNI 1603054 stejně.

Standardy BIM

Někteří čtenáři si mohou pamatovat IESNA LM-74-05, standardní formát souborů pro elektronický přenos dat komponentů svítidla. IESCC pracovala na vývoji tohoto dokumentu více než deset let před jeho zveřejněním v roce 2005. Bylo to ambiciózní úsilí spojit všechny aspekty svítidel do jednoho datového souboru, včetně fotometrie, informace o lampě a předřadníku, fyzikální geometrii, stavební materiály a povrchové úpravy, výkresy CAD, fotografie a další.

Bohužel to bylo příliš ambiciózní. Přestože bylo první vydání zaměřeno na údaje o lampách, normu nikdy nepřijalo zamýšlené publikum výrobců svítidel, architektů a inženýrů, specifikátorů produktů osvětlení, fotometrických testovacích laboratoří a vývojářů softwaru osvětlení. Jednoduše řečeno, světelný průmysl v té době takový standard nepotřeboval.

Dnes bychom mohli považovat LM-74-05 za první příklad schématu specializovaného řízení informací o budovách (BIM), které se zaměřovalo na malou podmnožinu obvykle mnohem větších datových sad. (Schéma dokumentu je koncepčně ekvivalentní specifikaci formátu souboru.) Schéma XML zelené budovy (gbXML) pro aplikace BIM je vynikajícím příkladem.

 Citace z webu gbXML:
„Schéma XML Green Building XML nebo„ gbXML “bylo vyvinuto s cílem usnadnit přenos informací o budování uložených v informačních modelech budov založených na CAD, což umožňuje interoperabilitu mezi různými softwarovými nástroji pro návrh budov a softwarovou analýzu. To vše je ve jménu pomoci architektům, technikům a energetickým modelářům navrhovat energeticky účinnější budovy. “

Pro odvětví osvětlení má schéma gbXML XML „prvek“ nazvaný „Fotometrie“.

Popis prvku XML:
„Fotometrie“ zní: „Tento prvek byl ponechán otevřený pro použití s ​​jinými definicemi fotometrie. Fotometrická data jsou požadována pro různé formy analýzy osvětlení. Tato značka poskytuje způsob předávání fotometrických dat. Protože to lze provést různými způsoby (iesna LM-63, cibse TM14, EULUMDAT atd.), Není specifikován specifický formát. “

Definování nového optického datového formátu svítidla, který je kompatibilní s gbXML a podobnými schématy BIM, tedy slouží jasné a současné potřebě.

Porozumění XML

Výhodou gbXML je to, že je založeno na mezinárodním standardu pro výměnu dat XML (eXtensible Markup Language). Podrobnosti tohoto standardu jsou složité a vyčerpávající, ale v podstatě každý dokument XML sestává z textových řetězců nazývaných „prvky“.

Příklad prvku XML:

<name> Jan Novak </name>

... kde jsou data obklopena počátečními a koncovými „značkami“.

Tyto prvky lze uspořádat do hierarchie, například:
<person>
    <name> Jan Novak
    </name>
    <employer> Servis
    </employer>
</person>

V tomto příkladu je element <person> „Rodič“ a všechny jeho prvky jsou jeho „děti“.

Na základě této nejjednodušší reprezentace lze v dokumentu XML jednoznačně reprezentovat prakticky jakýkoli typ dat. Pokud osoba nebo počítačový program, který čte dokument XML, narazí na značku neznámého prvku, lze prvek a jeho podřízené položky (pokud existují) jednoduše ignorovat.

To je samozřejmě problém se zahrnutím textových souborů LM-63 nebo EULUMDAT doslovně (tj. Jako víceřádkový textový řetězec) do gbXML nebo podobných dokumentů BIM. Ano, lze to provést, ale počítačový program, který čte dokument, musí být schopen tyto soubory nějak identifikovat a přečíst. Navrhování TM-33 jako dokumentu XML tento problém vyřešilo.

Struktura dokumentu

Ve srovnání s jednoduchostí souborů fotometrických dat je schéma dokumentu TM-33 relativně složité a obsahuje více než 240 definovaných prvků XML. Většina těchto prvků je však volitelná. Stávající soubory fotometrických dat IES LM-63 a EULUMDAT lze přenést na ekvivalentní dokumenty TM-33 bez ztráty informací a výsledné soubory TM-33 nejsou o moc větší než původní soubory. Dokumenty TM-33 se skládají ze čtyř sekcí: Záhlaví, Svítidlo, Zařízení a Emitter.

Čtyři sekce dokumentu TM-33 podrobně:

Záhlaví

Sekce záhlaví obsahuje informace, které jsou aktuálně k dispozici v souborech LM-63 a EULUMDAT, jako je výrobce, katalogové číslo, popis a testovací laboratoř, ale existují některé zajímavé dodatky.

Zajímavé doplnění dokumentů TM-33:
• GTIN
• Unikátní identifikátor
• Reference
• Další informace URI

Volitelný prvek GTIN (Global Trade Item Number) je mezinárodně uznávaný identifikační kód pro obchodní položky. Spotřebitelé se setkávají s různými formami GTIN téměř každý den, když nakupují produkty se štítky s čárovým kódem. GTIN jednoznačně identifikuje svítidlo.

Jedním z problémů současných fotometrických datových souborů je to, že neexistuje žádná kontrola verzí. Pokud společnost znovu vydává fotometrická data pro produkt, neexistuje žádný způsob, jak rozlišovat mezi jinými soubory, než je datum vytvoření souboru. Pokud jsou soubory z jakéhokoli důvodu zkopírovány, mohou se tato data změnit. Pro vyřešení tohoto problému volitelný prvek Unique Identifier identifikuje dokument TM-33 pomocí UUID (Universally Unique Identifier). Zatímco UUID nebrání někomu v úmyslné úpravě dat dokumentu, řeší alespoň problém více souborů se stejným názvem. Ještě lepší je, že UUID (které se běžně používají k identifikaci informací v počítačových systémech) jsou pro všechny praktické účely jedinečné a nevyžadují centrální registrační úřad.

Se zavedením technologie IoT je stále důležitější sledovat související dokumenty, zejména příručky, pro svítidla. Může proto existovat jeden nebo více volitelných referenčních prvků, které obsahují seznam těchto dokumentů. Pro více nestálé informace poskytuje volitelný prvek Další informace URI jednotný identifikátor zdroje (tj. Webovou adresu) pro další informace o svítidle.

Svítidlo

TM-33 představuje svítidlo jako obdélníkovou skříň nebo válec s orientací na osu (obr. 3), který ohraničuje skutečnou geometrii svítidla. Sekce svítidla proto uvádí rozměry tohoto „ohraničovacího boxu“ jako délku, šířku a výšku.

Obrázek 3: Rozměry svítidla

Bylo by možné tvrdit, že by byly užitečné podrobnější geometrické informace, jako jsou rozměry výřezů stropů pro zapuštěná svítidla. Tomu se však lépe věnují dokumenty BIM - TM-33 se týká pouze optických dat svítidla.

Zařízení

Sekce vybavení popisuje laboratorní přístroje používané k měření optických dat svítidla.

Laboratorní přístroje mohou zahrnovat:
• Gonioradiometr (měření intenzity)
• Integrační koule (měření toku) 
• Spektroradiometr (měření distribuce spektrálního výkonu)

a podrobné informace specifické pro tyto přístroje, jako je typ gonioradiometru a charakteristiky spektroradiometru.

Termín „gonioradiometr“ je něco kompromisu v tom, že nástroje mohou být navrženy tak, aby měřily svítivost (tj. Goniofotometr), intenzitu záření (tj. Gonioradiometr) nebo intenzitu fotonu pro zahradnické aplikace (pro které není přijato žádné jméno nástroje). Jediný rozdíl mezi těmito třemi typy je v tom, že fotosenzor má různé spektrální váhy pro každý z nich (např. V (λ) pro svítivost).

Emitter

Soubory fotometrických dat předpokládají, že svítidlo zahrnuje jednu nebo více výměnných lamp, ale tento koncept se nevztahuje na polovodičové osvětlení, které může mít vyměnitelné moduly LED nebo nevyměnitelná pole LED. Kromě toho mohou lampy nebo LED moduly emitovat ultrafialové nebo infračervené záření spíše než viditelné světlo. Pro účely TM-33 jsou tedy společně označovány jako „emitory“.

Dodatky k obvyklým informacím o lampách LM-63 a EULUMDAT

Kromě obvyklých informací o lampách LM-63 a EULUMDAT - množství, jmenovité lumeny, vstupní příkon atd. - informace o emitoru mohou případně zahrnovat účiník, korelované hodnoty barevné teploty (CCT), metrické hodnoty vykreslování barev (Ra a R9 pro CIE Color Rendering a Rf and Rg pro IES TM-30-15 Color Rendition) a poměry scotopic-fotopic lumens (S / P). U svítidel s proměnlivým CCT může být nutné některé z těchto hodnot vyjádřit jako rozsahy.

Jednou z volitelných, ale důležitých položek je prvek „Generování dat“. S fotometrickými datovými soubory není možné vědět, zda byla data svítivosti měřena v laboratoři, nebo výsledek počítačové simulace. Prvek generování dat rozlišuje mezi těmito dvěma, včetně toho, zda byla naměřená data intenzity upravena podle počtu lamp a zda byly interpolovány úhly měření. Poskytuje také podrobné informace o laboratorní akreditaci a nejistotách měření přístrojů.

Spektroradiometrická data

Klíčovou schopností emitorové sekce je reprezentovat spektrální distribuci energie (SPD) emitoru. Podle standardu IES TM-27-14, standardního formátu IES pro elektronický přenos spektrálních dat, se pro každou vlnovou délku uvádí měřený spektrální radiační tok.

Většina SPD je uváděna v intervalech s konstantní vlnovou délkou (např. 5 nm), ale TM-33 takové omezení neukládá. V důsledku toho mohou být jak kontinuální, tak lineární spektrální emisní charakteristiky reprezentovány s libovolnou přesností na vlnové délce.

Údaje o intenzitě

U souborů s fotometrickými údaji představuje většina dat měření svítivosti pro vertikální a horizontální úhly. Totéž platí pro dokumenty TM-33 v emitorové části s tím rozdílem, že v závislosti na aplikaci mohou být měření intenzity založena na světelném toku, sálavém toku, fotonovém toku nebo spektrálním sálavém toku.

Tabulka 1: Data měření intenzity, typ a aplikace

Intenzita záření i fotonu se měří ve specifikovaném rozsahu vlnových délek. Pokud je intenzita fotonu měřena v rozsahu 400 nm až 700 nm, odpovídá fotosynteticky aktivnímu záření (PAR).

Spektrální distribuce intenzity záření zářením přiřadí každému měření SPD. Rozložení jsou užitečná pro znázornění změny barvy s měnícím se úhlem pohledu, jako je tomu u svítidel s fosforem potaženým bílým světlem.

Každé měření intenzity je vyjádřeno jako (například):
<IntensityData horz = "90.0" vert = "65.0"> 109
</IntensityData>

Výslovným vyjádřením svislých a vodorovných úhlů pro každé měření není třeba, aby byla data organizována jako dvourozměrné pole svislých úhlů a vodorovných rovin. To je důležité, protože některé robotické gonioradiometry jsou schopné měřit úhlové polohy na geodetické kouli a další složité úhlové vzory.

Radiometrie na aplikační vzdálenost

Aplikační fotometrie, známá také jako „fotometrie blízkého pole“, byla vyvinuta v 90. letech 20. století, aby představovala distribuci osvětlení na stropě nad nepřímým lineárním zářivkovým osvětlením. Proces laboratorního měření byl zdokumentován v IES LM-70-00, Příručka k fotometrii blízkého pole, ale nikdy nebyl přijat v odvětví osvětlení.

Dnes je však zřejmá aplikace: lineární LED pásy používané ve vertikálních farmách, kde se do půl metru od svítidel pěstují podnosy listové zelené zeleniny. Od tohoto psaní IES a Americká společnost zemědělských a biologických techniků (ASABE) spolupracují na vývoji standardu pro měření radiometrie na aplikační vzdálenosti. Norma bude také použitelná pro ultrafialové sterilizační jednotky a infračervené pece.

TM-33 plně podporuje měření aplikačních vzdáleností pro intenzitu osvětlení, ozáření, hustotu toku fotonu a spektrální ozáření, s více rovinami orientovanými v libovolném úhlu podle potřeby.

Kanály

Svítidlo může mít více zářičů s různými SPD, jako je divadelní svítidlo s červenými, zelenými, modrými a oranžovými LED diodami. Pokud lze intenzitu každého emitoru nezávisle ztlumit, aniž by se významně změnilo rozdělení prostorové intenzity, lze na distribuci intenzity kanálu použít „kanálový multiplikátor“, který představuje distribuci intenzity svítidla, když je kanál plně schopen produkovat „bílé“ světlo s specifikovaný CCT. (Součet multiplikátorů kanálu se musí rovnat jedné.)

Emisní oblasti

Metriky oslnění nepohodlí, jako je CIE Unified Glare Rating (CIE 117-1996), vyžadují znalost světelných oblastí svítidel, jak je pozorovatel pozorován. TM-33 podporuje zobrazení jedné nebo více pravoúhlých nebo eliptických „emisních oblastí“ na kterékoli straně ohraničující krabice nebo válce svítidla.

Emitterové centrum

Prvek „Emitter Center“ specifikuje horizontální a vertikální korekce předpokládaného zdroje bodu od geometrického středu ohraničující krabice nebo válce svítidla.

Regulační hodnoty

Naměřené hodnoty uvedené v dokumentu TM-33 mohou být jeden ze tří typů: měřené; hodnocené; nebo nominální. „Jmenovitá“ hodnota je hodnota množství použitého pro účely specifikace, stanovené pro specifický soubor provozních podmínek produktu, zatímco „nominální hodnota“ je přibližná hodnota množství použitá k označení nebo identifikaci produktu. Pokud konkrétní regulační prvek (např. „Vstupní watty“) chybí, předpokládá se, že jeho hodnoty byly změřeny nebo vypočteny z naměřených dat.

Vlastní data

Prvek „Vlastní data“ poskytuje prostředky pro zahrnutí vlastních dat. Například společnost nebo vládní agentura může vyžadovat dodatečná data, která nemohou být zastoupena v základním dokumentu TM-33. Povoleno je více vlastních datových prvků, z nichž každý obsahuje prvek názvu (např. „Italský CAM“), prvek UUID, který jedinečně identifikuje nadřazený prvek „Vlastní data“, a libovolnou sekvenci prvků XML, které představují vlastní data. Pokud software, který čte dokument TM-33, výslovně nerozpozná prvek uživatelských dat, bude prvek a všechny jeho podřízené prvky ignorovány.

Závěr

Pokud se výše uvedený popis schématu TM-33 jeví jako poněkud složitý, je to proto, že je. Zatímco formáty souborů IES LM-63 a EULUMDAT jsou specifikovány pomocí jedné až několika stránek, specifikace dokumentu ANSI / IES TM-33 a UNI 1603054 se rozkládá na 70 stránek nebo více.

Většina prvků XML obsahujících dokument TM-33 je však volitelná. Přenesení datového souboru LM-33 nebo EULUMDAT do formátu TM-33 vede k dokumentům, které nejsou o moc větší než původní soubory, a bez ztráty informací. Na druhé straně nově generované dokumenty TM-33 poskytují množství užitečných informací pro svítidla, která mohou (a pravděpodobně by) být zahrnuta.

A konečně bylo schéma dokumentu TM-33 záměrně navrženo tak, aby bylo rozšiřitelné. Ať už se do schématu budou přidávat jakékoli budoucí doplňky, budou vždy zcela zpětně kompatibilní se základním dokumentem.

Světelný průmysl v současné době spoléhá na formáty souborů fotometrických dat, které byly vyvinuty před třemi desítkami let. Schéma dokumentu TM-33 je navrženo pro dnešek i budoucnost.

Odkazy:
[1] Wikimedia Commons: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Card_puncher_-_NARA_-_513295.jpg
[2] LED-professional.com