Probabilistic risk contour map of runway-related hazards based on aircraft braking distance computation evaluating EMAS functionality as the selected mitigation action: application of risk/safety contour map

Risk assessment methods in aviation greatly rely on the knowledge of the factors influencing risk and safety during daily operations. One of the weak points of the common approaches in aerodromes is the qualitative method to support decisions respect to quantitative evaluations. Air transport is one of the greatest contributors to the advancement of modern society. The air transport industry includes those activities that are directly dependent on transporting people and goods by air. The demand for air transport has increased steadily over the years. Passenger numbers have grown by 50[%] over the last decade and have more than doubled since the 1990s. In 2015 up to 3.5[billion] passengers have been carried by means of aviation transportation. Plus, around 180,000 [ton-km] freight of goods transported in the same day. These statistics highlight the level of importance and usefulness of aviation industry. Therefore by increasing in the demand of air transport, number of aircrafts each year consequently increased. Although the rate of accidents drops slightly each year but in overall, the number of accidents are bound to increase. This casts a gloomy shadow for the years to come. The RSARA© (Runway Safety Area Risk Assessment) software, which is based on the Aircraft Cooperative Research Program (ACRP) model, has been utilized as a starting point for further sensitivity analyses of probabilistic risk assessment of each airport’s runway with determined casual factors, including runway geometry, traffic characteristics, and weather conditions. A comprehensive airports incident/accident database between years 2000 to 2015 was also used to perform the sensitivity analyses. In this study, six airports with diverse characteristics (i.e.; airport landlocked circumstance, aircraft annual movements, airfield geometry, runway features, and extreme weather condition) were selected for the analysis . By providing different independent variables as input in the frequency model of RSARA, the outputs were useful to determine the influence of each of the casual factors on the accident probability of occurrence. Selected variables include: runway length in terms of declared distances, runway safety area geometry, instrumental landing system category, weather operational data and annual traffic growth rate. The sensitivity analyses showed that the weather condition and runway related factors played a major role in increasing or decreasing the probability of the accident; the probability of landing overrun (LDOR) can be increased by four times, for instance, due to specific combinations of runway length and climatic conditions. Engineered arrestor beds such as EMAS also has the potential to decrease by 50[%] the risk of LDOR and can be selected as an effective choice compared to other pavement materials within the RSA. Runway excursions have formed the biggest share of runway-related accidents compare to all possible types of airport recorded events worldwide. Out of different possible event scenarios of excursions, runway overrun, which may occur in both landing and take-off phases of flight, is the most frequent one. Therefore many studies have been conducted focusing on determination of the contributing factors which have influence on the probability of runway overrun occurrence. This probability is directly related to the difference between aircraft Landing Distance Required (LDR) and real-time braking distance. In this regard, aircraft braking distance under certain circumstances should be computed. Runway surface condition as a result of previous studies is known to be one of the most contributing factors in runway overrun accidents. Existence of different water-film thicknesses on the pavement decreases the pavement skid resistance which leads to lower friction, for instance; consequently, longer aircraft braking distance is needed and greater risk for aircrafts to overrun is expected. Skid resistance strongly depends on the complex relationship between the aircraft operating conditions and pavement surface properties. Five different MATLAB® codes have been conducted as one of the results of this study to model aircraft braking distance under certain circumstances of various water film thickness laying on the runway pavement, different weather conditions, various aircraft categories and different wheel loads applying on the pavement materials. They are based on two separate algorithms. The first algorithm is based on a finite element model which is calculating dynamically the skid number between aircraft tire and pavement in existence of different water film thicknesses, and the results would collect in the second algorithm to calculate the aircraft braking distance. Braking distances for a selected set of aircrafts were calculated and plotted in probability distribution format. Based on the probability distribution compared to LDR for the selected set of aircrafts, the landing overrun probability contour map and safety/risk probability distribution is presented. An additional framework has been conducted to check the functionality of Engineered Materials Arrestor System (EMAS) as one possible mitigation strategy to reduce the dangerous consequences of landing overrun. Another important output would be a risk contour map overlapped on the EMAS layout to give a comprehensive understanding of the percentage risk along its length as a function of the stopping distance. Deductions are presented at the end with the scope of more research to be done on this very important mitigation strategy.

I metodi di valutazione del rischio nel settore dell'aviazione dipendono molto dalla conoscenza dei fattori che influenzano il rischio e la sicurezza durante le operazioni quotidiane. Uno dei punti deboli degli approcci comuni negli aeroporti è il metodo qualitativo per sostenere le decisioni rispetto alle valutazioni quantitative. Il trasporto aereo è uno dei maggiori contributori al progresso della società moderna. L'industria del trasporto aereo comprende quelle attività che dipendono direttamente dal trasporto di persone e merci per via aerea. La domanda di trasporto aereo è aumentata costantemente nel corso degli anni. I numeri dei passeggeri sono cresciuti del 50 [%] nell'ultimo decennio e sono più che raddoppiati dagli anni '90. Nel 2015 sono stati trasportati fino a 3,5 miliardi di passeggeri tramite il trasporto aereo. Inoltre, circa 180.000 [tonnellate-km] di merci trasportate nello stesso giorno. Queste statistiche evidenziano il livello di importanza e utilità dell'industria aeronautica. Pertanto, aumentando la domanda di trasporto aereo, il numero di aeromobili ogni anno è aumentato di conseguenza. Sebbene il tasso di incidenti diminuisca leggermente ogni anno, ma nel complesso, il numero di incidenti è destinato ad aumentare. Questo getta un'ombra cupa per gli anni a venire. Il software RSARA © (Runway Safety Area Risk Assessment), che si basa sul modello di Programma di ricerca cooperativa di aeromobili (ACRP), è stato utilizzato come punto di partenza per ulteriori analisi di sensibilità della valutazione del rischio probabilistico della pista di ciascun aeroporto con determinati fattori casuali, compresa la geometria della pista, le caratteristiche del traffico e le condizioni meteorologiche. Per effettuare le analisi di sensitività è stata anche utilizzata una banca dati sugli incidenti / incidenti negli aeroporti tra il 2000 e il 2015. In questo studio, sono stati selezionati per l'analisi sei aeroporti con caratteristiche diverse (vale a dire aeroporto senza sbocco sul mare, movimenti aeronautici annuali, geometria dell'aeroporto, caratteristiche della pista e condizioni climatiche estreme). Fornendo diverse variabili indipendenti come input nel modello di frequenza di RSARA, le uscite erano utili per determinare l'influenza di ciascuno dei fattori casuali sulla probabilità di accadimento di un incidente. Le variabili selezionate includono: lunghezza della pista in termini di distanze dichiarate, geometria dell'area di sicurezza della pista, categoria del sistema di atterraggio strumentale, dati operativi meteorologici e tasso di crescita del traffico annuale. Le analisi di sensibilità hanno mostrato che le condizioni meteorologiche e i fattori legati alla pista hanno svolto un ruolo importante nell'aumentare o diminuire la probabilità di incidente; la probabilità di atterraggio eccessivo (LDOR) può essere aumentata di quattro volte, ad esempio, a causa di specifiche combinazioni di lunghezza della pista e condizioni climatiche. I letti paracadute modulari come l'EMAS hanno anche il potenziale di ridurre del 50% il rischio di LDOR e possono essere scelti come una scelta efficace rispetto ad altri materiali di pavimentazione all'interno della RSA. Le escursioni in pista hanno costituito la quota maggiore degli incidenti legati alla pista rispetto a tutti i possibili tipi di eventi registrati negli aeroporti di tutto il mondo. Tra i diversi possibili scenari di escursioni, il superamento della pista, che può verificarsi sia in fase di atterraggio che in fase di decollo, è il più frequente. Pertanto sono stati condotti molti studi incentrati sulla determinazione dei fattori che contribuiscono che hanno influenza sulla probabilità di insorgenza di eventi di sfondamento della pista. Questa probabilità è direttamente correlata alla differenza tra Landing Distance Required (LDR) dell'aeromobile e distanza di frenata in tempo reale. A tale riguardo, è necessario calcolare la distanza di frenata dell'aeromobile in determinate circostanze. Lo stato superficiale della pista come risultato di precedenti studi è noto per essere uno dei fattori che contribuiscono maggiormente agli incidenti di sfondamento della pista. L'esistenza di diversi spessori di pellicola d'acqua sulla pavimentazione diminuisce la resistenza dello scivolo della pavimentazione che porta ad un minore attrito, ad esempio; di conseguenza, è necessaria una maggiore distanza di frenata dell'aeromobile e si prevede un rischio maggiore di sovraccarico per gli aeromobili. La resistenza allo scivolamento dipende fortemente dalla complessa relazione tra le condizioni operative dell'aeromobile e le proprietà della superficie della pavimentazione. Cinque diversi codici MATLAB® sono stati condotti come uno dei risultati di questo studio per modellare la distanza di frenata dell'aeromobile in determinate circostanze di diversi strati di pellicola d'acqua sulla pavimentazione della pista, diverse condizioni atmosferiche, varie categorie di aeromobili e diversi carichi delle ruote applicati sul pavimento materiali. Sono basati su due algoritmi separati. Il primo algoritmo si basa su un modello ad elementi finiti che calcola dinamicamente il numero di skid tra pneumatico e pavimentazione dell'aeromobile in presenza di diversi spessori del film d'acqua, ei risultati verrebbero raccolti nel secondo algoritmo per calcolare la distanza di frenata dell'aeromobile. Le distanze di frenatura per un gruppo selezionato di velivoli sono state calcolate e tracciate nel formato di distribuzione di probabilità. In base alla distribuzione di probabilità rispetto a LDR per l'insieme selezionato di velivoli, viene presentata la mappa del profilo di probabilità di sovraccarico di atterraggio e la distribuzione di probabilità di sicurezza / rischio. È stato condotto un ulteriore framework per verificare la funzionalità del Sistema di arresto dei materiali ingegnerizzati (EMAS) come una possibile strategia di mitigazione per ridurre le pericolose conseguenze dello sbarco. Un altro risultato importante sarebbe una mappa del profilo di rischio sovrapposta al layout EMAS per fornire una comprensione completa del rischio percentuale lungo la sua lunghezza in funzione della distanza di arresto. Le detrazioni sono presentate alla fine con lo scopo di ulteriori ricerche da fare su questa importantissima strategia di mitigazione.