Nach einer Notlandung ist es wichtig, ein Flugzeug schnell zu evakuieren. In der Regel wird ein maximales Zeitlimit festgelegt, das nicht von der Anzahl der Passagiere an Bord, der Uhrzeit (Tag/Nacht) oder der Anzahl der nicht funktionsfähigen Notausgänge abhängt. Um Strategien und Protokolle für effiziente Evakuierungen zu entwickeln, ist es wichtig, alle Merkmale des Flugzeugs zu definieren, mehrere mögliche Szenarien zu analysieren, eine umfassende Studie über das Verhalten der Passagiere durchzuführen und externe Faktoren zu berücksichtigen, die die Evakuierungszeit beeinflussen können. Heutzutage gibt es flexible und leistungsstarke objektorientierte Simulationswerkzeuge, mit denen realistische Modelle erstellt werden können, die für die Bewertung von Evakuierungsstrategien durch die Untersuchung verschiedener Szenarien nützlich sind. In diesem Zusammenhang wird in diesem Beitrag ein Modell vorgestellt, mit dem realistische Szenarien für die Evakuierung des Airbus 380, die in weniger als 90 Sekunden erfolgen muss, analysiert werden können.
Statistiken zeigen, dass das Reisen mit dem Flugzeug eines der sichersten Verkehrsmittel ist. Dennoch kann es zu riskanten Situationen kommen, wie z. B. einer Entgleisung, einer Notlandung, einer terroristischen Bedrohung oder einer Fehlfunktion, die eine Not-Evakuierung erforderlich machen. Die Gefahr kann von Aufprall, Feuer, Rauch, giftigen Gasen oder Explosionen ausgehen. Der Kommandant ist dafür verantwortlich, die Evakuierung einzuleiten und zu versuchen, alle Insassen in Sicherheit zu bringen. Während der Evakuierung nehmen die Risiken mit der Zeit zu, daher ist es wichtig, die Evakuierungszeit so kurz wie möglich zu halten.
Es ist erwiesen, dass effiziente Notfallevakuierungsverfahren die Zahl der Opfer bei Flugzeugunfällen mit Überlebenden drastisch reduzieren können. Dementsprechend sind diese Verfahren und die Fähigkeit, sie korrekt anzuwenden, nach Ansicht der Flugleitzentralen (Air Control Centers, ACC) für die Sicherheit im Luftverkehr äußerst wichtig. Um die Zulassung für ein Flugzeugmuster zu erhalten, muss der Hersteller nachweisen, dass die Notfallevakuierung in Übereinstimmung mit den Lufttüchtigkeitsvorschriften seines Staates durchgeführt wird. Das ACC des jeweiligen Staates ist für die Erteilung dieser Zulassung zuständig. Bei dem Nachweis wird Folgendes analysiert:
Die Evakuierungsnormen für Flugzeuge sind in den Zertifizierungsspezifikationen für Großflugzeuge CS-25 (Änderung 4 - Abschnitt 28.803) der Europäischen Agentur für Flugsicherheit (EASA) und für die Vereinigten Staaten im Code of Federal Regulations, Title 14 Aeronautics and Space, Chapter I Federal Aviation Administration, Department of Transportation, zusammengefasst. In jedem Bereich für Besatzung und Passagiere müssen genügend Notfallelemente vorhanden sein, um eine schnelle Evakuierung bei Notlandungen mit oder ohne ausgefahrenem Fahrwerk zu ermöglichen, wobei zu berücksichtigen ist, dass das Flugzeug in Brand geraten kann. Bei Flugzeugen mit einer Kapazität von mehr als 44 Passagieren muss sichergestellt werden, dass die maximale Anzahl von Personen, einschließlich der Mitglieder der Besatzung, unter Notfallbedingungen in weniger als 90 Sekunden evakuiert werden kann. Die Einhaltung dieser Anforderung muss durch eine reale Simulation unter Verwendung der in Anhang J des CS-25 angegebenen Prüfkriterien nachgewiesen werden, es sei denn, die Agentur findet eine Kombination aus Analyse und Prüfung, die gleichwertige Daten liefert.
In diesem Papier wird ein einfaches, aber realistisches Modell zur Bewertung von Evakuierungsstrategien beschrieben. Es verwendet die Eigenschaften des Flugzeugs A-380 der Gesellschaft AirFrance. Das Modell ermöglicht die Untersuchung der Passagierströme und die Erkennung potenzieller Engpässe aufgrund der Ansammlung von Passagieren in den Bereichen nahe der Notausgänge. Mit einer Reihe von Experimenten soll untersucht werden, wie sich der Grad der Belegung und der Anteil der nicht funktionierenden Türen auf das Evakuierungsverfahren in Bezug auf die Zeit auswirken. Der Beitrag ist wie folgt aufgebaut. In Abschnitt 2 werden verwandte Arbeiten vorgestellt. Anschließend werden in Abschnitt 3 die Notfallverfahren definiert. In Abschnitt 4 wird das Simulationsmodell vorgestellt, wobei Annahmen und Implementierungsdetails erörtert werden. In Abschnitt 5 werden die durchgeführten Experimente erläutert und die erzielten Ergebnisse analysiert. Schließlich werden in Abschnitt 6 einige Schlussfolgerungen und künftige Forschungsansätze beschrieben.
Es gibt mehrere Studien, in denen Risikofaktoren für Kabinen analysiert werden. Hsu und Liu (2012) erörtern zum Beispiel die Risikofaktoren im Zusammenhang mit der Kabinenstruktur. Chang und Yang (2011) analysieren das Sicherheitsempfinden der Passagiere bei einem realen Unfall. Aus diesen Arbeiten lässt sich schließen, dass sowohl die Verfahren als auch die Unterstützung durch die Besatzung Schlüsselelemente für den Evakuierungsprozess eines Flugzeugs sind. Chang (2012) vergleicht die Sicherheit von Passagieren mit eingeschränkter Mobilität mit der von normalen Passagieren im Falle eines Unfalls. Erstere sind während der Evakuierungsverfahren auf die Unterstützung durch Begleitpersonen oder die Kabinenbesatzung angewiesen und haben aufgrund ihrer Bewegungseinschränkungen ein größeres Risiko, im Notfall verletzt zu werden (U.S. Department of Transportation 2009, U.S. Department of Transportation 2003).
Ein Notfall stellt eine Reihe von negativen Ereignissen dar, die sich in einem kurzen Zeitraum konzentrieren und bei den Passagieren Angst und Stress auslösen können. Diese Faktoren müssen bei der Analyse von Evakuierungsprozessen berücksichtigt werden, da die damit verbundene Unsicherheit die Ergebnisse stark verändern kann. Die Modellierung des Verhaltens der Passagiere ist in der Tat eine äußerst schwierige Aufgabe, da es von einer komplexen Mischung aus sozio-psychologischen und physischen Faktoren beeinflusst wird (Poudel et al. 2005). Im Bereich der Fußgänger und der Evakuierung vergleichen Helbing et al. (2002) die Simulation von Normal- und Paniksituationen. Die Autoren schlagen molekulardynamikähnliche Mikrosimulationen vor, die auf einem verallgemeinerten Kraftmodell der interaktiven Fußgängerdynamik basieren. Demnach beeinflusst die "Nervosität" in Paniksituationen signifikant die Fluktuationsstärke, die gewünschten Geschwindigkeiten und die Tendenz zum Herdenverhalten. Zusätzlich werden paradoxe Effekte wie "Einfrieren durch Erhitzen", "schneller ist langsamer" und die Unkenntnis der verfügbaren Ausgänge berücksichtigt. Poudel et al. (2005) erörtern die Notwendigkeit der Modellierung von Flugzeug-Evakuierungen als Folge der Einschränkungen, die realen Demonstrationen innewohnen (z. B. gibt es weder Feuer noch Rauch, und Kinder und behinderte Passagiere nehmen in der Regel nicht teil). Sie argumentieren, dass "echte" Evakuierungen sehr unorganisiert ablaufen können, da die Personen darum konkurrieren, durch die Ausgänge zu gelangen. Die Autoren schlagen einen auf unscharfer Logik basierenden Ansatz vor, der Verhaltensparameter wie die Fähigkeit zur Situationswahrnehmung, den physischen Zustand, die durchschnittliche Reaktionszeit auf eine neue Situation, die freie individuelle Ausstiegsgeschwindigkeit und Gruppenverbindungen berücksichtigt. Sharma et al. (2008) analysieren ebenfalls das menschliche Verhalten bei Flugzeug-Evakuierungen. Sie kombinieren ein soziales Kraftmodell und ein geometrisches Modell und integrieren Fuzzy-Logik, um die Auswirkungen von Faktoren wie Panik und Stress zu berücksichtigen.
Chang und Yang (2011) analysieren die Wahrnehmungen von Passagieren in Bezug auf die Sicherheit in der Kabine anhand ihrer Erfahrungen bei der Notevakuierung nach einem Flugzeugunfall. Die Daten wurden durch Fragebogenerhebungen und Tiefeninterviews mit Passagieren der Gesellschaft China Airlines gewonnen. Die Autoren kommen zu dem Schluss, dass die Passagiere mehr Anweisungen zur Verwendung der Notfallausrüstung und zu den entsprechenden Protokollen benötigen. Außerdem wird nachgewiesen, dass die Unterstützung durch die Besatzung und die Notfallverfahren für eine korrekte Evakuierung entscheidend sind. In Liao (2014) stellt die Tourismusabteilung der Aletheia Universität (in Taiwan) eine Studie vor, in der die Ausbildung von Grundschulkindern in Bezug auf die Sicherheit in Flugzeugen bewertet wurde. Das Bildungsprogramm wurde auf der Grundlage der Sicherheitsanweisungen in der Kabine entwickelt. Die Kinder füllten vor und nach dem Kurs eine Umfrage aus. Die Autoren kommen zu dem Schluss, dass es notwendig ist, den Kindern zu erklären, "was", "wann", "wie" und "warum" wir im Falle eines Flugzeugunfalls handeln sollten. Fernsehen und Internet sind relevante Ressourcen, um Kinder (und Menschen im Allgemeinen) über die Sicherheit in der Kabine zu informieren, aber es könnte effektiver sein, wenn ein Ausbilder die Schüler zu diesen Themen unterrichtet. Die Ergebnisse zeigen, dass das Programm das Wissen und die Einstellung der Kinder unabhängig von ihrer Schule, ihrem Wohnort und ihrer Flugerfahrung verbessern konnte. Die Sicherheitserziehung in der Flugzeugkabine wird immer wichtiger, da immer mehr Menschen mit dem Flugzeug reisen. Außerdem folgt die Zahl der allein reisenden Kinder demselben Trend. Der Bedarf an Schulungen zur Sicherheit in der Flugzeugkabine wurde sowohl aus akademischer als auch aus praktischer Sicht diskutiert (Chang und Liao 2008, Muir und Thomas 2004). Bisher wurden jedoch nur wenige Schulungsprogramme entwickelt. Es ist notwendig, umfassende Schulungsprogramme zu entwickeln, da sie die Überlebenswahrscheinlichkeit erhöhen können.
Die überwiegende Mehrheit der Notfälle ereignet sich während der Start- und/oder Landephase ohne vorherige Ankündigung. Diese Notfälle treten in der Regel plötzlich und unerwartet auf und lassen der Besatzung und den Fluggästen nur wenig Spielraum für Reaktionen.
Eine Notlandung kann durch verschiedene Faktoren ausgelöst werden. Es kann sich dabei um externe Faktoren handeln, wie z. B. ungünstige Wetterbedingungen, oder um interne Faktoren, wie z. B. den Ausfall eines Triebwerks oder ein technisches Versagen des Flugzeugs. In diesem Fall gibt der Kommandant die Information so schnell wie möglich an den Kabinenverantwortlichen weiter, der sie an die übrige Kabinenbesatzung und die Passagiere weiterleitet. Anschließend bereitet sich die Besatzung auf die Notlandung vor und befolgt dabei die entsprechenden Protokolle in einer bestimmten Reihenfolge, die in einer so genannten "Checkliste" aufgeführt sind.
Notlandungen können präventiv erfolgen und erfordern keine Notevakuierung. Dies hängt von den Kriterien des Kommandanten ab, der die Gefahr der Situation für die Passagiere und die Besatzung beurteilt. Bei einer unerwarteten Notlandung bleibt keine Zeit zum Reagieren. Sie tritt ein, wenn das Flugzeug einen "echten" (d. h. nicht geplanten) Notfall erlebt und so schnell wie möglich gelandet werden muss. Piloten und Besatzung haben nur wenig Zeit, um zu reagieren und müssen die Passagiere schnell informieren.
Die Kabinenbesatzung muss ständig bereit sein, das Flugzeug im Notfall zu evakuieren und auf jedes Anzeichen von Gefahr wie Rauch, Feuer, Funken oder ungewöhnliche Geräusche zu achten. Es gibt zwei Arten von Evakuierungsbewegungen: (i) geplante, bei denen genügend Zeit zur Verfügung steht, um die Fluggäste und die Besatzung zu informieren, und (ii) unerwartete, im anderen Fall. Abbildung 1 zeigt die Sicherheitsinformationsverfahren für das Flugzeug A-380.
Wie bereits erwähnt, basiert das Modell auf dem Flugzeug A-380 der Gesellschaft AirFrance. Die Struktur des Flugzeugs, das aus zwei Decks besteht, ist in Abbildung 2 dargestellt. Das Hauptdeck besteht aus 354 Sitzen, die auf mehrere Räume verteilt sind, 5 Notausgängen auf der rechten und 5 auf der linken Seite und 10 Notrampen (eine pro Ausgang). Das Oberdeck verfügt über 168 Sitzplätze, 3 Notausgänge auf der rechten und 3 auf der linken Seite sowie 6 Notrampen.
Auf der Grundlage dieser Struktur stellt das Modell verschiedene Bereiche dar, wie in Abbildung 3 gezeigt.
Das Hauptdeck setzt sich zusammen aus:
P → Reiseklasse: "Premiere" (10 Sitzplätze)
E0 → Reiseklasse: "Sitzplatz Plus" (4 Sitzplätze)
E1 → Reiseklasse: "Economy 1" (144 Sitzplätze)
E2 → Reiseklasse: "Economy 2" (122 Sitzplätze)
E3 → Reiseklasse: "Economy 3" (74 Sitzplätze)
Das Oberdeck besteht aus:
B1 → Reiseklasse: "Business 1" (30 Sitzplätze)
B2 → Reiseklasse: "Business 2" (54 Sitzplätze)
PE → Reiseklasse: "Premium Economy" (38 Plätze)
E4 → Reiseklasse: "Economy 4" (46 Sitzplätze)
Die in das Modell aufgenommenen Maßnahmen werden in den Abbildungen 4 und 5 für das Ober- und das Hauptdeck detailliert dargestellt. Abbildung 6 zeigt die Entfernungen von der Vorderseite des Flugzeugs zu den einzelnen Ausgängen. Diese Maßnahmen werden berücksichtigt, um die Sitze in den Kabinen des Flugzeugs zu verteilen und die Routen zu erstellen, denen die Passagiere folgen, wenn sie zu den Notausgängen gelangen.
Um die Beschreibung des Modells zu vervollständigen, werden folgende Annahmen getroffen: (i) der Abstand zwischen Sitzgruppen ist durch die Länge eines Sitzes gegeben; (ii) die Wege zu den Notausgängen definieren die Routen, denen die Passagiere folgen; und (iii) die Länge des Ganges wird anhand der Informationen in Abbildung 6 angenähert. Das Simulationsmodell wurde mit SIMIO c implementiert. Abbildung 7 enthält alle berücksichtigten Maßnahmen. Die Linien verbinden die verschiedenen Elemente des Modells und definieren die Wege, denen die Passagiere folgen, um das Flugzeug zu verlassen. Eine 3D-Darstellung (Abbildung 8) dient der Validierung und dem besseren Verständnis des Modells, indem überprüft wird, ob die von den Passagieren zurückgelegten Wege den erwarteten entsprechen.
Die Evakuierung des Airbus 380 ist eine Notfallstrategie, die sicherstellen muss, dass mehr als 500 Passagiere das Flugzeug so schnell wie möglich verlassen. Der Hersteller hat zwei unabhängige Evakuierungsstrategien entwickelt, eine pro Deck, um die Benutzung der internen Treppen zu vermeiden. Einige Experten kritisieren diese Strategie, weil sie nicht die Angst berücksichtigt, die ein Passagier hat, wenn er durch die Notrutschen oder -rutschen von einem höheren Punkt aus springen muss. Sie würden daher eine Evakuierungsstrategie empfehlen, bei der die Evakuierung der beiden Anlagen kombiniert wird. In diesem Fall ist der Unterschied mit 20 Metern relativ gering. Das Modell berücksichtigt fünf Aktionen und legt für jede eine Wahrscheinlichkeitsverteilung fest. Diese Informationen sind in Tabelle 1 aufgeführt.
Da es nicht möglich war, detaillierte Daten über Evakuierungen für ein bestimmtes Flugzeugmodell zu finden, stützte sich der Validierungsprozess auf Experten, die sowohl das Modell als auch die von Simio generierten Videos analysierten. Anschließend haben wir eine Reihe von Szenarien definiert, um die Evakuierungsstrategie zu analysieren. Tabelle 2 beschreibt den Versuchsplan mit drei Szenarien auf der Grundlage des Besetzungsgrads. Pro Szenario wurden 50 Wiederholungen durchgeführt.
Um die Ergebnisse zusammenzufassen, werden die folgenden Maße gespeichert: mittlere Evakuierungszeit und Evakuierungszeiten des ersten und des letzten Passagiers, der das Flugzeug verlässt. Die für alle Replikationen erhaltenen Werte werden durch Berechnung von Mittelwerten aggregiert. Tabelle 3 zeigt die Ergebnisse pro Szenario, wenn alle Türen in Betrieb sind, während Tabelle 4 berücksichtigt, dass nur die Hälfte der Türen in Betrieb ist. Abbildung 9 zeigt einen Boxplot pro Szenario, der die kompletten Evakuierungszeiten darstellt. Alle Verteilungen sind symmetrisch und weisen eine relativ ähnliche Variabilität auf. Daraus lässt sich schließen, dass sowohl der Belegungsgrad als auch der Anteil der nicht funktionsfähigen Türen erhebliche Auswirkungen auf die Evakuierungszeit haben.
Die Notfallevakuierung in einem Verkehrsflugzeug ist ein sehr komplexer Prozess, bei dem die Passagiere das Flugzeug so schnell wie möglich und kontrolliert verlassen sollen. Der Literatur zufolge kann dieser Prozess zu Situationen mit einem hohen Maß an Chaos, Stress, Nervosität usw. führen. Daher sind eine effiziente Koordinierung des Kabinenpersonals und ein vollständiger und gut durchdachter Evakuierungsplan erforderlich, bei dem die Sicherheit der Passagiere und des Kabinenpersonals im Vordergrund steht. Nach der Untersuchung der Evakuierung eines großen Flugzeugs mit einer Kapazität von mehr als 500 Passagieren kann festgestellt werden, dass die Durchführung einer Evakuierung in weniger als 90 Sekunden aufgrund von Faktoren, die die erwartete Zeit und die Variabilität erhöhen können, eine Herausforderung darstellt.
In dieser Arbeit wurde ein Simulationsmodell vorgestellt, dessen Hauptziel es ist, die Evakuierung des Airbus A-380 grafisch zu reproduzieren. Auf diese Weise kann das Verhalten der Passagiere im Flugzeug analysiert werden, und es ist möglich, verschiedene Situationen zu vergleichen, die während eines kommerziellen Fluges auftreten können. Wie erwartet, hat sich gezeigt, dass der Grad der Besetzung einen signifikanten Einfluss auf die für die Evakuierung benötigte Zeit hat. Ebenso erhöht eine Verringerung der Anzahl der Notausgänge, die in Betrieb sind, sowohl die erwartete Zeit als auch die Variabilität. Die Analyse der Modellausführung mit geeigneten Visualisierungswerkzeugen hilft zu prüfen, ob Passagiere auf verschiedenen Decks eine signifikant unterschiedliche Zeit benötigen, um das Flugzeug zu verlassen. Dies kann zu einer Verbesserung des Entwurfs von Evakuierungsplänen führen. Nicht zuletzt können grafische 3D-Darstellungen besonders nützlich sein, um Evakuierungsverfahren und -protokolle zu lehren und neue Alternativen zu bewerten.
Aus dieser Arbeit ergeben sich mehrere zukünftige Forschungsrichtungen, wie z.B.: (i) Analyse von Passagieren mit unterschiedlichen Merkmalen, z. B. Kinder, ältere Menschen oder Passagiere mit eingeschränkter Mobilität; (ii) Verwendung empirischer Wahrscheinlichkeitsverteilungen für die Simulation; (iii) Vergleich verschiedener Evakuierungsstrategien (z. B. eine, die beide Decks kombiniert) und eine breitere Palette von Szenarien; und (iv) Entwurf eines komplexeren Modells, das Entscheidungen in Bezug auf die Konstruktion des Flugzeugs, wie die Platzierung der Nottüren, einschließt.
Diese Arbeit wurde teilweise vom spanischen Ministerium für Wirtschaft und Wettbewerbsfähigkeit und dem FEDER (TRA2013-48180-C3-P und TRA2015-71883-REDT) sowie dem Programm Erasmus+ (2016-1- ES01-KA108-023465) unterstützt. Wir danken auch für die Unterstützung durch das UOC-Doktorandenprogramm.