CC BY
19
Michat Jasztala)*
'> Military University of Technology / Wojskowa Akademia Techniczna * Corresponding author / Autor korespondencyjny: [email protected]
Testing the Process of Evacuation from the Passenger Aircraft with the Use of Computer Simulation
Badanie procesu ewakuacji z samolotu pasazerskiego z wykorzystaniem symulacji komputerowej
ABSTRACT
Purpose: The main aim of the study was to investigate the possibility to use the Pathfinder simulation software to determine the duration of an evacuation and to plan its course for various scenarios of evacuation organisation, for specific profiles and behaviours of passengers and on-board personnel, and for a specific geometrical arrangement of the passenger cabin of a selected passenger aircraft. In addition, the paper discusses selected factors that affect the evacuation from the passenger aircraft.
The project and the methods: The Pathfinder software used in the research has the graphical interface to create an evacuation simulation model (2D and 3D) as well as tools to visualise the results. Pathfinder is based on artificial intelligence algorithms, in which each passenger has a number of individual features that can influence his/her movements and decisions during the simulation. The simulation of people's movement is determined by their profiles and behaviours, the parameters of which can be entered by means of probability distributions, which makes it possible to take into account the stochastic nature of the evacuation process.
Results: The Boeing 787 Dreamliner was selected for the study, for which six options for simulating the evacuation of 252 passengers and eight members of on-board personnel were conducted. The shortest evacuation time was achieved by changing the even distribution of the number of passengers to the individual emergency exits, thus avoiding congestions in sensitive areas of the passenger cabin. The increase in passengers' maximum speed has paradoxically increased evacuation times, as it has increased the intensity of passenger collisions. It was found that one of the key issues affecting the timing of an evacuation is the proper organisation of the evacuation by on-board personnel, who, by guiding passengers through the geometrically most advantageous passageways, results in the fastest possible evacuation. The simulations in variants five and six have achieved satisfactory evacuation times, which are within the emergency aircraft evacuation time limit required in a certification process.
Conclusions: The presented simulation models, the results obtained, and the wide range of possibilities of three-dimensional visualisation of research results give a rational basis for the use of Pathfinder software for testing the evacuation process and thus: for the usage in the aircraft design process, for preparing aircrafts for tests, for shaping evacuation procedures, for on-board personnel training and for air accident investigation. Keywords: evacuation, passenger aircraft, computer simulation Type of article: original scientific article
Received: 04.09.2020; Reviewed: 22.09.2020; Accepted: 21.10.2020; Author's ORCID ID: M. Jasztal - 0000-0003-4133-2557;
Please cite as: SFT Vol. 56 Issue 2, 2020, pp. 22-39, https://doi.Org/10.12845/sft.56.2.2020.2;
This is an open access article under the CC BY-SA 4.0 license (https://creativecommons.Org/licenses/by-sa/4.0/).
ABSTRAKT
Cel: Glöwnym celem pracy bylo zbadanie mozliwosci wykorzystania oprogramowania symulacyjnego Pathfinder do wyznaczania czasu trwania ewakuacji i planowania jej przebiegu dla röznych scenariuszy organizacji ewakuacji, okreslonych profili i zachowan pasazeröw i personelu pokladowego, oraz przyjQtej aranzacji geometrycznej kabiny pasazerskiej wybranego samolotu pasazerskiego. Ponadto, w pracy omöwione zostaly wybrane czynniki, ktöre majq wplyw na ewakuacji z samolotu pasazerskiego.
Projekt i metody: Wykorzystane w badaniach oprogramowanie Pathfinder posiada graficzny interfejs do tworzenia modelu symulacyjnego ewakuacji (2D i 3D), jak röwniez narz^dzia sluzqce do wizualizacji wyniköw. Pathfinder uzywa algorytmöw z zakresu sztucznej inteligencji, w ktörych kazdy pa-sazer ma szereg indywidualnych cech osobowych mogqcych wplywac na jego ruchy i decyzje podczas symulacji. Symulacja poruszania si§ osöb jest determinowana przez ich profile i zachowania, ktörych parametry mozna wprowadzac za pomocq rozkladöw prawdopodobienstwa, co daje mozliwosc uwzgl^dnienia stochastycznego charakteru procesu ewakuacji.
Wyniki: Do badan wybrano samolot pasazerski Boeing 787 Dreamliner, dla ktorego prowadzono szesc wariantow symulacji ewakuacji 252 pasazerow oraz osmiu osob personelu pokladowego. Najkrotszy czas ewakuacji zostal osiqgniQty po zmianie rownomiernego podzialu liczby pasazerow skierowanych do poszczegolnych wyjsc ewakuacyjnych. Pozwolilo to unikngc powstawania zatorow w newralgicznych miejscach kabiny pasazerskiej. Zwi^kszenie maksymalnej pr^dkosci poruszania si§ pasazerow paradoksalnie wydluzylo czas ewakuacji, poniewaz pociqgn^lo za sobg takze wzrost liczby kolizji pasazerow. Stwierdzono, iz jedng z kluczowych kwestii wplywajgcych na czas ewakuacji jest jej wlasciwa organizacja przez personel pokladowy, ktory kieruje pasazerow przez najkorzystniejsze geometrycznie przejscia. Symulacje w wariancie pigtym i szostym pozwolily uzyskac zadowalajgce czasy ewakuacji, mieszczgce si§ w wymaganym w procesie certyfikacji czasie awaryjnego opuszczenia samolotu.
Wnioski: Przedstawione modele symulacyjne, uzyskane rezultaty oraz szerokie mozliwosci w zakresie trojwymiarowych wizualizacji wynikow badan dajg racjonalne podstawy do wykorzystania oprogramowania Pathfinder do badania procesu ewakuacji, a przez to: wykorzystania go w procesie pro-jektowania samolotow oraz przygotowywania ich do badan testowych, ksztaltowania procedur ewakuacyjnych, szkolen personelu pokladowego oraz badania wypadkow lotniczych.
Stowa kluczowe: ewakuacja, samolot pasazerski, symulacja komputerowa Typ artykutu: oryginalny artykul naukowy
Przyj^ty: 04.09.2020; Zrecenzowany: 22.09.2020; Zaakceptowany: 21.10.2020; Identyfikator ORCID autora: M. Jasztal - 0000-0003-4133-2557;
Prosz? cytowac: SFT Vol. 56 Issue 2, 2020, pp. 22-39, https://doi.org/10.12845/sft.56.2.2020.2; Artykul udost^pniany na licencji CC BY-SA 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0/).
Introduction
Despite ensuring a high level of air transport security, air accidents and catastrophes, in which it is necessary to evacuate passengers and air personnel, still occur. In addition, the restrictions on access to the cockpit, implemented in recent years as a result of the terrorist threat, and the increasing amount of baggage allowed in the passenger cabin are increasingly challenging for on-board personnel in an emergency situation [1-2].
Even in purely catastrophic circumstances, such as fire or hull fracture, a high level of passengers' survival can be achieved. However, the results of many accidents and incidents over the years have revealed problems with the efficiency and sufficiency of procedures and the training of flight crew and on-board personnel. The sooner the evacuation is initiated and effectively carried out, the more the number of casualties and deaths will be reduced [1-3].
This paper discusses the key factors, both positive and negative, that can affect an evacuation, taking into account the specific of construction and material characteristics of the equipment items and the geometric parameters of the passenger space, rescue equipment, requirements and procedures and the relevant results of air accident investigations. The main aim of the study was to investigate the possibility to use the Pathfinder simulation software to determine the duration of an evacuation and to plan its course for various scenarios of evacuation organisation, for specific profiles and behaviours of passengers and for a specific geometrical arrangement of the passenger cabin of a selected passenger aircraft Boeing 787 Dreamliner. It should be stressed that the Pathfinder software is the tool used to simulate the evacuation of people from various types of objects, as opposed to highly specialised simulation software such as airEXODUS, which is designed exclusively for testing the processes of aircraft emergency abandonment [4-7], [25].
Wprowadzenie
Pomimo zapewnienia wysokiego poziomu bezpieczenstwa transportu lotniczego, wypadki oraz katastrofy lotnicze, w ktorych wyst^puje koniecznosc ewakuacji pasazerow i personelu lotniczego, nadal majq miejsce. Dodatkowo wprowadzane w ostatnich latach na skutek zagrozenia terrorystycznego ograniczenia w dost^pie do kabiny pilotow oraz rosnqca ilosc dozwolonego bagazu w kabinie pasazerskiej stanowiq coraz wi^ksze wyzwanie dla personelu pokta-dowego podczas dziatania w sytuacji awaryjnej [1-2].
Nawet w czysto katastroficznych okolicznosciach, takich jak pozar lub p^kni^cie kadtuba, wysoki poziom przezywalnosci pasazerow jest mozliwy do osiqgni^cia. Jednakze rezultaty wielu wypadkow oraz incydentow na przestrzeni lat ujawnity problemy z efektywnosciq i wystarczalnosciq procedur oraz ze stopniem wyszkolenia personelu lotniczego i poktadowego. Im szybciej ewakuacja jest zainicjowana i efektywniej przeprowadzona, tym mniej-sza b^dzie liczba poszkodowanych i ofiar smiertelnych [1-3].
W niniejszym artykule omowiono kluczowe czynniki wptywa-jqce na przebieg ewakuacji (zarowno pozytywne, jak i negatywne), uwzgl^dniajqc: specyfik? budowy i charakterystyki materiatow ele-mentow wyposazenia oraz parametry geometryczne przestrzeni pasazerskiej, wyposazenie ratownicze, kwesti? wymagan i procedur oraz istotne wyniki badan wypadkow lotniczych. W pracy podj^to si? zadania sprawdzenia mozliwosci wykorzystania oprogramowania symulacyjnego Pathfinder do badania czasu trwania ewakuacji i planowania jej przebiegu dla roznych scenariuszy organizacji ewakuacji, okreslonych profili i zachowan pasazerow oraz przyj?tej aranzacji geometrycznej kabiny pasazerskiej wybranego samolotu pasazerskiego Boeing 787 Dreamliner. Nalezy podkreslic, iz oprogra-mowanie Pathfinder jest narz?dziem wykorzystywanym do symulacji ewakuacji osob z roznego rodzaju obiektow - w odroznieniu od wysoko wyspecjalizowanego oprogramowania symulacyjnego, jak np. airEXODUS, ktore jest przeznaczone wytqcznie do badania pro-cesow awaryjnego opuszczania statkow powietrznych [4-7], [25].
Selected issues of passenger aircraft evacuation
Improvements in passenger and crew survival are being made by aviation authorities, aircraft manufacturers and flight operators. They relate to many very important problems. Despite the fact that our knowledge is based on air accidents, which often took place many years ago, these events are of great practical significance and have directly affected aviation authorities and other entities in terms of improving regulations, requirements and taking actions such as [8-13]:
- conducting endurance dynamic tests for seats and implementing criteria and limit values for injuries of passengers and crew;
- the use of non-flammable materials for the interior of the aircraft;
- use of thermal and acoustic insulation and conducting fire propagation tests;
- the use of materials emitting small amounts of heat and smoke during a fire and conducting tests in this area;
- the use of smoke detectors and fire-fighting systems in the passenger and luggage compartment, including additional smoke detectors and automatic fire extinguishers for waste bins;
- implementation of the escape route lighting near the cabin floor;
- the assembly of equipment to ensure safe breathing for passengers and crew;
- usage of specially designed and tested emergency exits and gangways (e.g.: emergency gangways with thermal reflective protection);
- the use of regular emergency training for flight crew and on-board personnel (Crew Resource Management CRM);
- implementation of checklists for flight crew and on-board personnel in the event of evacuation;
- implementation of restrictions on air passengers as regards occupying seats in the vicinity of emergency exits;
- training of air passengers in emergency behaviour before each take-off.
The majority of accidents of linear passenger aircraft, i.e. about 90% (according to the ETSC - European Transport Safety Council) are categorised as "survivable" [14]. The term "survivable accident" is defined as an accident, in which the forces acting on passengers do not exceed the limits of tolerance of the human body, including in terms of the rate at which they develop [15]. In addition, in this category of accidents, the structure of the passenger compartment shall remain intact to such an extent that a nominal passenger space is provided at all times during the accident and evacuation. Therefore, the occurrence of the vast majority of "survivable" accidents causes that it is the ability of passengers to evacuate and the abilities of the crew to initiate and manage the evacuation that determines the extent of the consequences of individual air accidents [14].
The evacuation equipment of passenger aircraft is constantly being improved. For example, there are facilities in assistance
Wybrane zagadnienia ewakuacji samolotöw pasazerskich
Usprawnienia w zakresie zapewnienia przezywalnosci pasazeröw i zatogi podejmowane sq przez wtadze lotnicze, producen-töw samolotöw oraz operatoröw lotniczych. Dotyczq one wielu bardzo istotnych problemöw. Pomimo tego, ze nasza wiedza jest oparta na wypadkach lotniczych, ktöre czçsto miaty miejsce wiele lat temu, to zdarzenia te majq duze znaczenie praktyczne i bezpo-srednio wptynçty na wtadze lotnicze i inne podmioty w zakresie poprawy regulacji, wymagan i podjçcia dziatan, takich jak [8-13]:
- prowadzenie wytrzymatosciowych testöw dynamicznych dla foteli oraz wprowadzenie kryteriöw i dopuszczalnych wartosci uszkodzen ciata pasazeröw i zatogi;
- stosowanie materiatöw niepalnych do wyposazenia wnç-trza samolotu;
- stosowanie izolacji termicznej oraz akustycznej, a takze prowadzenie testöw propagacji pozaru;
- stosowanie materiatöw wydzielajqcych mate ilosci ciepta i dymu podczas pozaru oraz prowadzenie testöw w tym zakresie;
- stosowanie detektoröw dymu oraz instalacji przeciwpo-zarowej w przedziale pasazerskim i bagazowym, w tym dodatkowych detektoröw dymu oraz automatycznych gasnic pojemniköw na smieci;
- wprowadzenie oswietlenia sciezki ewakuacji w poblizu podtogi kabiny;
- wprowadzenie wyposazenia zapewniajqcego bezpieczne oddychanie dla pasazeröw i zatogi samolotu;
- stosowanie specjalnie zaprojektowanych oraz przetesto-wanych wyjsc oraz trapöw ewakuacyjnych (np. trapöw ewakuacyjnych z refleksyjnq ochronq termicznq);
- stosowanie regularnych treningöw personelu lotni-czego i poktadowego w zakresie sytuacji awaryjnych (z ang. Crew Resource Management, CRM);
- wprowadzenie procedur (z ang. checklists) dla personelu lotniczego i poktadowego na wypadek ewakuacji;
- wprowadzenie ograniczen dla pasazeröw samolotu w odnie-sieniu do zajmowania miejsc w poblizu wyjsc awaryjnych;
- prowadzenie przed kazdym startem szkolenia pasazeröw samolotu na temat zachowan obowiqzujqcych w sytuacji awaryjnej.
Wiçkszosc wypadköw liniowych samolotöw pasazerskich, tj. okoto 90% (wg ETSC - European Transport Safety Council), jest kategoryzowanych jako survivable, czyli mozliwych do przezycia [14]. Termin survivable accident jest definiowany jako wypadek, w ktörym sity dziatajqce na pasazeröw nie przekraczajq granicy tolerancji organizmu cztowieka, röwniez w zakresie szybkosci ich narastania [15]. Dodatkowo, w tej kategorii wypadköw struktura kabiny pasazerskiej pozostaje nieuszkodzona w takim stopniu, aby w kazdym momen-cie przebiegu wypadku i ewakuacji byta zapewniona nominalna prze-strzen przeznaczona dla pasazeröw. Stqd tez wystçpowanie wiçkszej liczby wypadköw „mozliwych do przezycia" powoduje, ze to wtasnie zdolnosc pasazeröw do ewakuacji oraz umiejçtnosci zatogi do zaini-cjowania tego procesu i zarzqdzania nim decydujq o rozmiarze skutköw poszczegölnych wypadköw lotniczych [14].
systems for opening aircraft doors and developing escape gangways, which is particularly important for large aircraft, where these operations would require a lot of force and take too long to complete manually. Many improvements have also been made to the so-called Type III emergency exits, through which evacuation to the aircraft wing is carried out. The technical solutions of evacuation gangways, which are currently fully automatic, are constantly being developed. Equally important is the proper illumination of the escape route, which is why systems are installed to illuminate the escape route (close to the cabin floor) with lighting and marking of the escape doors to facilitate movement in the right direction in darkness and in dense smoke. The emergency lighting system also has elements to illuminate the area outside the aircraft, especially the areas to which passengers and crew are directly evacuated.
To sum up, it can be said that the highest possible survival rate for passengers and crew in air accidents is due to constantly improving regulations in the area of airworthiness and operational requirements, improving aircraft design in the area of emergency evacuation systems and their technical reliability, and due to constantly improving procedures and training for flight crew and on-board personnel. How important it is for the smooth implementation of evacuation procedures can be confirmed by the "Fire Safety Engineering Group" (FSEG) at the Univeristy of Greenwich, published in January 2017, which concerns an analysis of the Manchester accident of August 22, 1985, by Boeing 737-200 operated by British Airtours [16]. The analysis of the accident and the simulations carried out showed that: one minute's delay in opening the aircraft's front escape door resulted in the death of 48 passengers, while a 30-second delay in opening the escape door to the aircraft wing resulted in the death of 20 passengers. If all emergency exits had been opened at the time set in the certification tests, all passengers and crew would have been effectively evacuated [16].
The number and deployment of the on-board personnel on the aircraft board is also extremely important, which has a direct influence on evacuation procedures. On-board personnel is needed not only to open emergency exits during the evacuation, but also to keep the emergency doors closed in case of emergency, i.e. fire outside the aircraft. This important issue in personnel operations is not covered by the airworthiness criteria. Many aviation organisations have requirements based on the "one in 50" rule (one-per-50), which requires one member of on-board personnel for every fifty passengers, or a corresponding fraction of 50 passenger seats installed on board, irrespective of the actual number of passengers taken on board on a given flight [8-10]. For aircrafts with 19 or fewer number of passenger seats there are no requirements for the number of on-board personnel. In such a case, where passengers themselves may be in the situation when they have to open emergency exits on their own and start the evacuation process without the involvement of the on-board personnel, then the effectiveness of the passenger instruction provided by the on-board personnel becomes extremely important. The requirements of certain air carriers provide that, for each Type A emergency exit (exit with appropriate minimum dimensions at passenger floor level) for twin-aisle aircrafts (with two
Sprzçt ewakuacyjny samolotow pasazerskich poddawany jest ciqgtemu doskonaleniu. Przyktadem mogq bye udogodnienia w zakre-sie uktadow wspomagajqcych otwieranie drzwi samolotu oraz rozwi-janie trapow ewakuacyjnych, co jest szczegolnie istotne dla duzych statkow powietrznych, w ktorych wykonanie tych operacji rçcznie wymagatoby uzycia znacznej sity i zajmowatoby zbyt duzo czasu. Wiele usprawnien zostato poczynionych rowniez w obszarze wyjse awaryjnych tzw. typu III, przez ktore prowadzona jest ewakuacja na skrzydto samolotu. Ciqgle rozwijane sq coraz to doskonalsze rozwiq-zania techniczne trapow ewakuacyjnych, ktore w chwili obecnej sq urzqdzeniami w petni automatycznymi. Rownie waznq kwestiq jest wtasciwe oswietlenie drogi ewakuacji, stqd tez praktyka instalowania systemow oswietlenia sciezki ewakuacji (w poblizu podtogi kabiny) wraz z oswietleniem i oznaczeniem drzwi ewakuacyjnych. Rozwiqza-nie to stanowi znaczne utatwienie w poruszaniu siç we wtasciwym kierunku podczas ciemnosci oraz przy obecnosci gçstego dymu. System oswietlenia awaryjnego posiada rowniez elementy oswietlenia obszaru na zewnqtrz samolotu, szczegolnie powierzchni, na ktorq bezposrednio ewakuowani sq pasazerowie oraz zatoga.
Podsumowujqc, mozna stwierdzie, iz mozliwie wysoka prze-zywalnose pasazerow oraz zatogi w wypadkach lotniczych jest zastugq ciqgle udoskonalanych regulacji w obszarze zdatnosci do lotu oraz wymagan operacyjnych, ulepszania konstrukcji statkow powietrznych w zakresie systemow awaryjnej ewakuacji oraz ich niezawodnosci technicznej, a takze nieustannie dopracowywanych procedur i szkolen zatogi lotniczej i poktadowej. O tym, jak bardzo istotne jest sprawne realizowanie procedur ewakuacji, moze swiad-czye analiza wypadku samolotu Boeing 737-200 linii lotniczych British Airtours z dnia 22 sierpnia 1985 roku, opracowana przez zespot Fire Safety Engineering Group (FSEG) z Uniwersytetu Greenwich [16]. W wyniku analizy wypadku oraz przeprowadzonych symu-lacji stwierdzono, ze jedna minuta opoznienia w otwarciu przed-nich drzwi ewakuacyjnych samolotu przyczynita siç do smierci 48 pasazerow, natomiast 30-sekundowe opoznienie w otwarciu drzwi ewakuacyjnych na skrzydto samolotu przyczynito siç do smierci 20 pasazerow. Jezeli wszystkie wyjscia awaryjne zostatyby otwarte w czasie ustalonym w badaniach certyfikacyjnych, to wszyscy pasazerowie i zatoga zostaliby skutecznie ewakuowani [16].
Niezwykle istotna jest rowniez liczba i rozmieszczenie personelu poktadowego na poktadzie samolotu - ma to bezposredni wptyw na procedury ewakuacji. Do obowiqzkow personelu poktadowego nalezy nie tylko otwieranie wyjse awaryjnych podczas ewakuacji, ale rowniez utrzymanie zamkniçtych drzwi awaryjnych w sytuacji zagrozenia, tj. pozaru na zewnqtrz samolotu. To istotne dziatanie personelu nie jest ujçte w kryteriach zdatnosci do lotu. Wiele organizacji lotniczych bazuje na regule „jeden na 50" (ang. one-per-50), ktora stawia wymog zapewnienia na poktadzie jed-nego cztonka personelu poktadowego na kazdych piçédziesiçciu pasazerow, lub piçédziesiqt foteli pasazerskich zainstalowanych na poktadzie, bez wzglçdu na faktycznq liczbç pasazerow zabranych na poktad w danym locie [8-10]. Dla samolotow, w ktorych zainstalo-wano 19 lub mniejszq liczbç foteli pasazerskich, nie ma wymagan odnosnie do liczebnosci personelu poktadowego. Oznacza to, ze sami pasazerowie - bez udziatu personelu poktadowego - mogq znaleze siç w sytuacji koniecznosci samodzielnego otwarcia wyjse awaryjnych i rozpoczçcia procesu ewakuacji. Wowczas efektywnose
corridors between the rows of seats) one on-board personnel member, who is required to take a seat near the emergency exit during take-off and landing, is dedicated. For example, for double corridor wide-bodied passenger aircrafts, which are certified for 440 passenger seats, four pairs of Type A emergency exits, the presence of nine on-board personnel members is required, but the subsequent arrangement of the deck with a first class or "business class" compartment inevitably reduces the total number of seats. As a consequence, fewer seats, e.g: 300 according to the "one-per-50" rule will cause that only six crew members will be required. This may result in a situation where not all A-type emergency exits are "manned" by a member of the on-board personnel. In such a situation the air operator should carry out a risk analysis for the applicable evacuation procedure. However, in many cases, aviation organisations (e.g. EASA) find it unacceptable that one on-board personnel member would "oversee" an evacuation through a pair of evacuation exits and recommend the presence of a on-board personnel member at each exit. There is, of course, a classification of evacuation exits according to their types, which gives the minimum dimensions of the individual exits as well as the expected number of passengers that can be evacuated by the individual types of exits.
Another rule adopted in the late 1980s by the FAA (US Federal Aviation Administration) was the "60 foot" rule, which stipulated that no pair of escape doors at passenger base level must be more than 60 feet (18.288 m) apart. This rule also meant that no passenger should sit further than 30 feet (9.144 m) from the nearest emergency exit [8-10].
It was very important from the point of view of aircraft emergency abandonment to formulate requirements for evacuation gangways, which depend on the type of evacuation exit in which they are installed. In short, these requirements are as follows [8-10]:
- any emergency exit which is installed at a height of 1.8 m (from the ground level of the aircraft at a standstill with its landing gear unfolded) must have an evacuation gangway to allow the evacuation of passengers and crew from the aircraft to ground level;
- the evacuation gangway must be automatically deployed and activated by the crew or passengers from inside the aircraft;
- the evacuation gangway must be fully expanded and ready for evacuation within 10 seconds of its activation (activation of the evacuation exit);
- the evacuation gangway should be long enough to reach the ground level when unfolded, and should be a self-supporting structure ensuring safe evacuation (even in case of damage to the aircraft landing gear);
- the evacuation gangway must be capable of being unfolded and provide stable evacuation in winds up to 46 km/h (25 knots) blowing from the most unfavourable direction with the aircraft engines idling;
- evacuation gangways in wide-bodied aircraft, with two corridors between rows of seats, are made as gangways with two parallel escape lanes;
- due to possible injuries and delays during evacuation from emergency exits located at a height of 1.8 m and below,
instruktazu pasazeröw wykonanego przez personel lotniczy zyskuje ogromne znaczenie. Wymogi niektörych przewozniköw lotniczych przewidujq, ze dla kazdego wyjscia awaryjnego typu A (wyjscie o odpo-wiednich wymiarach minimalnych na poziomie podtogi poktadu pasa-zerskiego) dla samolotöw twin-aisle (z dwoma korytarzami pomiçdzy rzçdami siedzen) dedykowany jest jeden cztonek zatogi, zobowiq-zany zajqc miejsce w poblizu wyjscia awaryjnego podczas startu i lqdowania. Przyktadowo, dla samolotöw pasazerskich szerokoka-dtubowych z podwöjnym korytarzem, ktöre sq certyfikowane dla 440 foteli pasazerskich, czterech par wyjsc awaryjnych typu A, wyma-gana jest obecnosc dziewiçciu osöb personelu poktadowego. Jed-nakze pözniejsza aranzacja poktadu zaktadajqca istnienie przedziatu pierwszej klasy lub business class powoduje nieuniknionq reduk-cjç catkowitej liczby foteli. W konsekwencji mniejsza liczba foteli (np. 300 wg reguty one-per-50) spowoduje, iz wymaganych bçdzie jedy-nie szesciu cztonköw zatogi. Moze to prowadzic do sytuacji, w ktörej nie wszystkim wyjsciom awaryjnym typu A bçdzie przypisany cztonek zatogi poktadowej. W takiej sytuacji operator lotniczy powinien prze-prowadzic analizç ryzyka dla obowiqzujqcej procedury ewakuacyj-nej. Jednakze w wielu przypadkach organizacje lotnicze (np. EASA) uznajq za niedopuszczalnq sytuacjç, w ktörej jeden cztonek zatogi poktadowej miatby nadzorowac ewakuacjç przebiegajqcq przez parç wyjsc ewakuacyjnych - zalecajq obecnosci cztonka zatogi poktadowej przy kazdym wyjsciu. Oczywiscie istnieje klasyfikacja wyjsc ewakuacyjnych wg ich typöw, w ktörej podaje siç zaröwno minimalne wymiary poszczegölnych wyjsc, jak röwniez przewidywanq liczbç pasazeröw, ktörzy mogq zostac przez nie ewakuowani.
Kolejnq regutq przyjçtq pod koniec lat osiemdziesiqtych przez FAA (Federal Aviation Administration USA) byta reguta „60 stöp" (ang. 60 foot rule), ktöra okreslata, ze zadna para drzwi ewakuacyjnych na poziomie poktadu pasazerskiego nie moze byc oddalona od siebie o wiçcej niz 60 stöp (18,288 m). Precyzowata röwniez, ze zaden z pasazeröw nie powinien siedziec w odlegtosci wiçkszej niz 30 stöp (9,144 m) od najblizszego wyjscia awaryjnego [8-10].
Bardzo istotne z punktu widzenia awaryjnego opuszczania samolotu byto sformutowanie wymagan odnosnie trapöw ewakuacyjnych. Zalezq one od typu wyjscia ewakuacyjnego, w ktörym sq zainstalowane. Pokrötce wymagania te mozna ujqc w nastç-pujqce punkty [8-10]:
- kazde wyjscie awaryjne, zainstalowane na wysokosci 1,8 m (od poziomu gruntu dla samolotu bçdqcego na postoju z roztozonym podwoziem) musi posiadac trap ewakuacyjny umozliwiajqcy ewakuacjç pasazeröw i zatogi z samolotu do poziomu gruntu;
- trap ewakuacyjny musi byc rozktadany w sposöb auto-matyczny i aktywowany przez zatogç lub pasazeröw z wnçtrza samolotu;
- trap ewakuacyjny musi zostac w petni rozwiniçty i gotowy do ewakuacji w ciqgu 10 sekund od czasu jego aktywacji (aktywacji wyjscia ewakuacyjnego);
- trap ewakuacyjny powinien miec takq dtugosc, aby w sta-nie roztozonym dosiçgat poziomu gruntu, stanowiqc kon-strukcjç samonosnq, zapewniajqcq bezpiecznq ewakuacji (nawet w sytuacji uszkodzenia podwozia samolotu);
- trap ewakuacyjny musi dawac mozliwosc roztozenia i zapewnienia stabilnej ewakuacji przy wietrze o prçdkosci
the use of emergency gangways is also recommended;
- in the case when an aircraft lands on the water, double-track evacuation gangways may serve as liferafts, while narrower evacuation gangways serve as displacement chambers to facilitate the passengers' stay on the water surface (in some aircrafts, liferafts, unfolded from the inside of the aircraft fuselage, are also used).
Conducting the evacuation procedure from an aircraft requires very good preparation by the flight crew and on-board personnel. Therefore, there were recommendations that the training of the aircraft crew should take into account [17]:
- coordination of the crew's actions and their mutual communication;
- areas of passenger traffic management;
- diverting passengers from emergency exits, which cannot be used, to exits, through which they can be safely evacuated;
- problems of overcrowded evacuation exits;
- commands given by the crew during the evacuation;
- physical contact with passengers, which may be required to provide assistance after leaving the aircraft.
The requirement for the manufacturer to obtain certification of a given passenger aircraft in terms of evacuation requirements requires a practical test of such an evacuation taking into account at least the following conditions [8-10]:
- only 50 percent of emergency exits are available for usage in such a test;
- no participant in this test (including crew members) is aware of which emergency exits will be available for use before the test begins;
- the test is carried out with reduced lighting of the cabin;
- on-board luggage may be placed on escape routes (corridors between the seats);
- all test participants, i.e. passengers and also flight crew and on-board personnel, must be on the ground outside the aircraft within 90 seconds of starting the evacuation without any assistance from ground personnel.
The criteria, against which the manufacturer's evacuation tests are carried out, are analysed by the aviation organisations responsible for certification, for example: FAA (Federal Aviation Administration - USA) for Boeing, EASA (European Aviation Safety Agency) for Airbus, TCCA (Transport Canada Civil Aviation) for Bombardier and ANAC (Agencia Nacional de Aviagao Civil - Brazil) for Embraer. Of course, the subject aircraft manufacturer's interest is to meet the evacuation requirements for the largest possible number of passenger seats with a certain number and type of emergency exits, as well as the most restrictive passenger cabin configuration. In order to enable, at the stage of aircraft interior design, the initial verification of the possibility to carry out an evacuation that meets the requirements in this extent, attempts are made to use simulation tools to perform this type of tests [4-7]. However, the need to carry out practical evacuation tests, that meet the above-mentioned criteria for pre-prepared variants of passenger cabin configuration and adopted evacuation procedures, remains unchanged.
do 46 km/h (25 wçztôw) wiejqcego z najbardziej nieko-rzystnego kierunku, przy silnikach samolotu pracujqcych na biegu jatowym;
- trapy ewakuacyjne w samolotach szerokokadtubowych z dwoma korytarzami miçdzy rzçdami foteli sq wykonywane jako trapy z dwoma równolegtymi torami ewakuacyjnymi;
- ze wzglçdu na mozliwe urazy oraz opóznienia podczas ewakuacji z wyjsc ewakuacyjnych, umieszczonych na wysokosci 1,8 m i ponizej, równiez zaleca siç stosowa-nie trapów ewakuacyjnych;
- w przypadku wodowania samolotu trapy ewakuacyjne dwu-torowe mogq stuzyc jako tratwy ratunkowe, natomiast wçz-sze trapy ewakuacyjne stuzq, jako komory wypornosciowe utatwiajqce utrzymywanie siç pasazerów na powierzchni wody (w niektórych samolotach stosowane sq równiez tratwy ratunkowe rozktadane z kadtuba samolotu).
Przeprowadzenie procedury ewakuacji ze statku powietrznego wymaga bardzo dobrego przygotowania personelu lotniczego oraz poktadowego. Stqd tez powstaty rekomendacje regulujqce zakres treningu zatogi samolotu. Powinien on uwzglçdniac [17]:
- koordynacjç dziatan zatogi i jej wzajemnq komunikacjç;
- obszary zarzqdzania ruchem pasazerów;
- przekierowanie pasazerów od wyjsc ewakuacyjnych, które z róznych powodów muszq pozostac zamkniçte, do wyjsc, przez które mozna siç bezpiecznie ewakuowac;
- problemy nadmiernego zattoczenia wyjsc ewakuacyjnych;
- komendy podawane przez zatogç podczas ewakuacji;
- fizyczny kontakt z pasazerami, który moze byc wymagany w celu udzielenia pomocy po opuszczeniu samolotu.
Wymóg uzyskania przez producenta certyfikacji danego samolotu pasazerskiego w aspekcie wymagan ewakuacji wymu-sza wykonanie praktycznego testu takiej ewakuacji, z uwzglçd-nieniem ponizszych warunków [8-10]:
- tylko 50 procent wyjsc ewakuacyjnych jest dostçpnych do wykorzystania w trakcie testu;
- zaden z uczestników testu (wtqczajqc w to cztonków zatogi) nie zostat uprzedzony przed jego rozpoczçciem, które wyjscia ewakuacyjne bçdq mozliwe do uzycia;
- test jest realizowany przy zredukowanym oswietleniu kabiny;
- bagaze poktadowe mogq znalezc siç na drogach ewakuacji (korytarzach miçdzy fotelami);
- wszyscy uczestnicy testu, tj. pasazerowie oraz cztonko-wie zatogi latajqcej i poktadowej, muszq znalezc siç na ziemi poza samolotem w ciqgu 90 sekund od chwili roz-poczçcia ewakuacji bez zadnej pomocy ze strony perso-nelu naziemnego.
Kryteria, wedtug których prowadzone sq producenckie testy ewakuacji, sq analizowane przez odpowiedzialne za certyfikacje organizacje lotnicze, takie jak: FAA (Federal Aviation Administration - USA) dla Boeinga, EASA (European Aviation Safety Agency) dla Airbusa, TCCA (Transport Canada Civil Aviation) dla Bombar-diera oraz ANAC (Agencia Nacional de Aviaçao Civil - Brazil) dla Embraera. Oczywiscie producent samolotu jest zainteresowany spetnieniem wymagan ewakuacji zarówno dla najwiçkszej mozli-wej liczby foteli pasazerskich przy okreslonej liczbie i typie wyjsc
ewakuacyjnych, jak röwniez przy najbardziej restrykcyjnej konfigura-cji kabiny pasazerskiej. Aby na etapie projektowania wnçtrza samolotu mozliwe byto wstçpne sprawdzenie mozliwosci przeprowadze-nia ewakuacji spetniajqcej wymagania w tym zakresie, podejmuje siç pröby wykorzystania narzçdzi symulacyjnych do wykonania tego typu testöw [4-7]. Niezmiennq pozostaje jednakze koniecznosc przeprowadzenia testöw praktycznej ewakuacji spetniajqcej wyzej wymienione kryteria dla wstçpnie przygotowanych wariantöw kon-figuracji kabiny pasazerskiej oraz przyjçtych procedur ewakuacji.
Usage of the Pathfinder software application to simulate evacuations of passengers from an aircraft
Pathfinder is a simulator for evacuation of people, setting the time of the evacuation and many other parameters related to the evacuation. The software application has a graphical interface to create an evacuation simulation model, both in 2D and 3D environments, as well as tools to visualize the results [25]. Pathfinder uses artificial intelligence algorithms, in which each defined user has a number of individual features that can influence his/her movements and decisions during the simulation. The person, who moves during the evacuation, takes "virtual consideration" of the whole surrounding environment, i.e. the geometry of the object and the behaviours of the people around that person, in each time step of the simulation. Simulation of people's movement is determined by their profiles and behaviours. The profile of a person is defined by the speed of movement of the person, their dimensions (e.g. diameter of the cylinder surrounding the figure), response time to a collision with elements of the cabin or other passengers and a number of additional specific parameters. People with a specific profile have an assigned avatar appearance used during 3D visualization. In turn, people's behaviours determine the sequence of actions during the simulation, i.e. going to the nearest or indicated exit, moving to the indicated place, stopping and waiting, and leaving the object as the last sequence for each behaviour. The characteristics given to individuals or groups of individuals (e.g. speed of movement or width of arms) may be expressed by fixed values as well as by the probability distribution of the variable. It is possible to choose the type of probability distribution and its parameters, e.g. for a normal distribution these are: expected value and standard deviation as well as maximum and minimum acceptable values. Due to the possibility to enter parameters of people's profiles by means of probability distributions, the software used gives the possibility to take into account the stochastic nature of the evacuation process [25].
The software enables simulation based on two types of mathematical models of movement of people in the Pathfinder software application. The first of these so called "variable-control" assumes that for individual models of evacuating people the momentary directions of movement are chosen in individual simulation steps so that their individual evacuation time is as short as possible (i.e. in each subsequent time step evacuating people choose the most advantageous escape route for themselves,
Wykorzystanie oprogramowania Pathfinder do symulacji ewakuacji pasazerow z samolotu
Pathfinder jest symulatorem ewakuacji osöb, wyznaczania czasu jej przeprowadzenia oraz wielu innych parametröw zwiqza-nych z ewakuacjq. Program posiada zaröwno graficzny interfejs do tworzenia modelu symulacyjnego ewakuacji w srodowisku 2D i 3D, jak i narzçdzia stuzqce do wizualizacji wyniköw [25]. Pathfinder uzywa algorytmöw z zakresu sztucznej inteligencji, w ktörych kazdy zdefiniowany uzytkownik ma szereg indywidualnych cech osobo-wosci mogqcych wptywac na jego ruchy i decyzje podczas symulacji. Osoba, ktöra przemieszcza siç podczas ewakuacji, w kazdym kroku czasowym symulacji „bierze wirtualnie pod uwagç" cate ota-czajqce go srodowisko tj. geometric obiektu i zachowania otacza-jqcych go ludzi. Symulacja poruszania siç osöb jest determinowana przez ich profile i zachowania. Profil osoby definiowany jest przez prçdkosc jej poruszania siç, wymiary (np. srednica walca okalajq-cego postac), czas reakcji na kolizjç z elementami kabiny lub innymi pasazerami oraz szeregiem dodatkowych parametröw szczegöto-wych. Osoby o okreslonym profilu posiadajq przypisany im wyglqd zewnçtrzny awatara, ktöry jest wykorzystywany podczas wizualizacji 3D. Z kolei zachowania osöb okreslajq sekwencjç akcji w trakcie trwania symulacji, tj. kierowanie siç do najblizszego lub wskazanego wyjscia, przejscie we wskazane miejsce, postöj i oczekiwanie oraz wyjscie z obiektu jako ostatnia sekwencja dla kazdego zachowania. Zadawane charakterystyki poszczegölnych osöb lub grup osöb (np. prçdkosc poruszan ia siç czy tez szerokosc ramion) mogq byc wyra-zane zaröwno wielkosciami statymi, jak röwniez za pomocq rozktadu prawdopodobienstwa danej zmiennej. Istnieje mozliwosc wyboru typu rozktadu prawdopodobienstwa oraz jego parametröw, np. dla rozktadu normalnego sq to: wartosc oczekiwana oraz odchylenie standardowe, a takze dopuszczalne wielkosci maksymalne i mini-malne. Dziçki mozliwosci wprowadzania parametröw profili osöb za pomocq rozktadöw prawdopodobienstwa wykorzystywane oprogra-mowanie daje mozliwosc uwzglçdnienia stochastycznego charak-teru procesu ewakuacji [25].
Oprogramowanie daje mozliwosc przeprowadzenia symulacji w oparciu o dwa rodzaje modeli matematycznych poruszania siç osöb w programie Pathfinder. Pierwszy z nich, tzw. zmienno--sterujqcy, zaktada, iz dla poszczegölnych modeli ewakuujqcych siç ludzi wybierane sq w poszczegölnych krokach symulacji chwi-lowe kierunki poruszania siç tak, aby ich indywidualny czas ewakuacji byt jak najkrötszy (tj. w kazdym kolejnym kroku czasowym ewakuujqcy siç ludzie wybierajq najkorzystniejszq dla siebie drogç
unless a specific escape route or other behaviour is imposed on them). This model takes into account the interactions that occur with other people, elements of infrastructure, the inertia of reactions and all the set parameters of profiles and behaviours of evacuating people. Pathfinder also contains an alternative model of crowd movement based on empirical equations described in the literature, i.e. the Society of Fire Protection Engineers Handbook (SFPE Handbook) guidelines [23]. This simplified model of movement of people allows relatively quick determination of the evacuation time even for a large model of building complex with a significant number of evacuated people.
The results of the simulation - apart from 3D visualisation of its course and its duration - include charts of the density of people on a given area, the speed of people flowing through individual exits, the ways of movement of individual people together with the detection of congestions and collisions.
For the tests presented in this paper, it was decided to select the Boeing 787 Dreamliner as the facility for which the evacuations of 252 passengers on board and eight members of on-board personnel were simulated. It was assumed that the arrangement of the passenger cabin space was made as in Figure 1 [24].
ucieczki, o ile nie zostata im narzucona okreslona droga ewakuacji lub inne zachowania). Model ten uwzgl?dnia wyst?powanie inte-rakcji z innymi osobami, elementami infrastruktury, bezwtadnosc reakcji oraz wszystkie zadane parametry profili i zachowan ewaku-ujqcych si? ludzi. Pathfinder zawiera rowniez alternatywny model poruszania si? ttumu, bazujqcy na rownaniach empirycznych opi-sanych w literaturze przedmiotu, tj. wytycznych SFPE Handbook (Society of Fire Protection Engineers Handbook) [23]. Ten uprosz-czony model poruszania si? osob pozwala na wzgl?dnie szybkie okreslenie czasu ewakuacji nawet dla duzego modelu kompleksu budynkow ze znacznq liczbq ewakuowanych osob.
Wyniki symulacji - oprocz wizualizacji 3D, jej przebiegu oraz czasu jej trwania - zawierajq wykresy g?stosci przebywa-nia ludzi na okreslonej powierzchni, pr?dkosci przeptywu ludzi przez poszczegolne wyjscia, drogi poruszania si? poszczegol-nych osob wraz z wykrywaniem zatorow i kolizji.
Do badan przedstawionych w niniejszym artykule wybrano samolot pasazerski Boeing 787 Dreamliner jako obiekt, dla kto-rego zostaty prowadzone symulacje ewakuacji 252 pasazerow znajdujqcych si? na jego poktadzie oraz osmiu osob personelu poktadowego. Przyj?to, ze aranzacja przestrzeni kabiny pasazer-skiej zostata wykonana jak na rycinie 1 [24].
Figure 1. Passenger cabin layout of Boeing 787 Dreamliner
Rycina 1. Aranzacja przestrzeni kabiny pasazerskiej samolotu Boeing 787 Dreamliner
Source: https://www.lot.com/pl/pl/dreamliner-787 [24].
Zrodto: https://www.lot.com/pl/pl/dreamliner-787 [24].
The model of the aircraft which provided the geometric framework for simulating the evacuation of air passengers could be made with using three possible techniques:
- a graphical interface with tools for drawing the geometry based on the given object dimensions;
- a graphic interface with an added background image, which is a 2D graphic file based on which we add geometric elements in places and dimensions as suggested by the background image;
- a graphic interface with imported 2D or 3D graphics, from which we select the elements of geometry necessary to make the model [25].
When starting the construction of a model, the second option presented above was used by introducing the image presented in Figure 1. as a background and using appropriate scaling (using the known length of the passenger cabin). The effects of modelling are illustrated in Figure 2. The cabin model takes into account the geometry of passenger seats, corridor width,
Model samolotu, ktory stanowit ramy geometryczne do prze-prowadzenia symulacji ewakuacji pasazerow samolotu, mogt zostac wykonany przy wykorzystaniu trzech mozliwych technik:
- interfejsu graficznego wraz z narz?dziami do rysowania geometrii w oparciu o podane wymiary obiektu;
- interfejsu graficznego z dodanym obrazem tta (plik gra-ficzny 2D), na bazie ktorego dodajemy elementy geometrii w miejscach oraz wymiarach takich, jakie podpowiada nam obraz tta;
- interfejsu graficznego z zaimportowanq grafikq 2D lub 3D, z ktorej wybieramy elementy geometrii niezb?dnej do prawidtowego wykonania modelu [25].
Przyst?pujqc do budowy modelu, wykorzystano drugq z przedstawionych powyzej opcji, wprowadzajqc obraz widoczny na rycinie 1 jako tto oraz stosujqc odpowiednie skalowanie (wykorzystano przy tym znanq dtugosc kabiny pasazerskiej). Efekty modelowania zostaty zobrazowane na rycinie 2. W modelu kabiny uwzgl?dniono geometri? siedzen pasazerskich, szerokosc
