Modelización computacional del ensayo de evacuación de emergencia de aviones de transporte

Resumen

Resumen En la explotación de aviones de transporte se presentan situaciones de riesgo en las que se necesita realizar una evacuación de emergencia, aunque afortunadamente sean cada vez menos. La eficacia de esta operación es crucial para salvar las vidas de los ocupantes. Para garantizar un cierto nivel de seguridad, la certificación de este tipo de aviones exige pasar con éxito el llamado ensayo de evacuación. Este consiste en la obtención del tiempo que tarda en evacuarse completamente el avión en una única demostración a escala real, con ocupantes auténticos y en unas condiciones concretas estipuladas por la norma. El máximo tiempo de evacuación permitido es de 90 segundos, aunque hay excepciones. La información que proporciona un único ensayo de este tipo sobre la variable aleatoria tiempo de evacuación es obviamente muy poco significativa, además del riesgo que entraña para los participantes este tipo de experimentos y de los costes y retardos añadidos al proceso de certificación. En los últimos tiempos las autoridades de certificación admiten la sustitución parcial de ensayos demostrativos por cálculos fundamentados que estimen los diferentes tiempos componentes del ensayo de evacuación. Para entender este proceso, en esta tesis se procede a abordar su análisis teórico riguroso, su modelización minuciosa y por último, aunque no menos importante, la construcción de una herramienta de simulación por ordenador, que tendrá un triple objetivo: 1. validar el modelo propuesto, 2. predecir tiempos significativos del ensayo de evacuación, 3. sustituir total o parcialmente al citado ensayo. El análisis pasa por identificar los elementos relevantes del dominio del ensayo de evacuación y capturar aquellos atributos o propiedades que sirven para definirlos y distinguirlos. Los elementos considerados se clasifican en tres tipos diferentes en el modelo de dominio propuesto: el escenario (avión, medios de evacuación y terreno), el factor humano (autoridades, empresa solicitante y ocupantes), las reglas de funcionamiento del ensayo (normativa reguladora y prácticas habituales). El modelo de solución abstrae lo estrictamente relevante del modelo de dominio, simplificando la información que va a usarse, con el objetivo de obtener un modelo sencillo y suficientemente aproximado del fenómeno. Las hipótesis simplificadoras realizadas en el modelo de solución abarcan diversos aspectos: la geometría, los tiempos, el movimiento, el comportamiento, etc. Por ejemplo, se adopta la ortogonalidad de vías, que facilita mucho el tratamiento de la geometría de la evacuación. Para comparar y valorar los ensayos de evacuación, tanto reales como simulados, se desarrolla una teoría de evaluación de ensayos de evacuación. Esta propone un conjunto de evaluadores de la calidad de ensayo, obtenibles a partir de los resultados del mismo. Además del aspecto teórico de esta tesis, se presenta la herramienta de simulación ETSIA (Evacuation Test Simulation and Investigation Algorithm), construida por el autor bajo los principios establecidos tras el análisis y la modelización recogidos en este trabajo. Utiliza NetLogo, que es un lenguaje de programación multiagente y entorno integrado de modelización. Las características fundamentales de ETSIA son: Código abierto y fácilmente modificable, porque utiliza un lenguaje sencillo derivado de Logo. Interfaz amigable para el usuario y personalizable, lo que es debido a la adopción del entorno de desarrollo NetLogo. Capacidad de simulación tanto en tiempo real como mucho más rápida, para facilitar la velocidad de obtención de resultados estadísticos. En ambos casos se puede optar o no por la visualización simultánea del proceso. Al día de la fecha, la herramienta ETSIA puede evaluar cualquier fenómeno o efecto relacionado con el ensayo de evacuación de aviones de fuselaje estrecho. ETSIA es capaz de realizar una serie numerosa de simulaciones del ensayo en un tiempo realmente corto, lo que permite realizar un tratamiento estadístico de los resultados con el objetivo de aproximar suficientemente el tiempo de evacuación. En el capítulo de conclusiones se justifica numéricamente la idoneidad de ETSIA para reproducir el ensayo de evacuación de aviones, al menos para los de fuselaje estrecho. La conclusión definitiva es que la herramienta ETSIA, aunque potencialmente desarrollable en algunos aspectos que quedan constatados, permite realizar cualquier tipo de estudio concebible encaminado a optimizar el diseño de cabinas de aviones de transporte, con vistas a mejorar las prestaciones en el ensayo de evacuación y en último extremo, a sustituirlo. Abstract Risky situations appear in the operation of transport airplanes in which emergency evacuation needs to be performed, very seldom fortunately. The effectiveness of this operation is crucial to save the lives of the occupants. To ensure a certain level of security, the certification of these aircrafts requires successfully fulfilling the so-called evacuation test. It is performed to determine the time needed to completely evacuate the plane in a single real-scale demonstration, with authentic occupants and in specific conditions stipulated by the regulations. The evacuation time must be below 90 seconds, although there are exceptions. The information provided on the random variable evacuation time by a single trial of this type is obviously not significant, besides the risk to participants that such experiments carry and the costs and delays added to the certification process. Recently, certification authorities admit partial replacement of demonstration test by reasoned calculations, to determine several component times of the evacuation test. To help in the understanding of this process, the Thesis follows a rigorous theoretical analysis, a detailed modeling and, last but not least, a computer simulation tool, whose purpose is threefold: 1. To validate the proposed model. 2. To predict significant times of the evacuation test. 3. To replace the test in whole or in part. The analysis consists of identifying the relevant elements of the evacuation test domain and of capturing those attributes or properties that serve to define and distinguish its diverse elements. Such elements can be classified into three different types in the proposed domain model: Stage (airplane, land and evacuation means). Human factor (authorities, applicant company and occupants). Operating rules of the test (regulations and common practices). The solution model abstracts what is strictly relevant of domain model and simplifies the information to be used, with the aim of obtaining a simple and sufficiently precise model about the phenomenon. Simplifying assumptions made in the solution model cover various aspects: geometry, time, movement, behavior, etc. As an example, the pathways orthogonality is adopted, which greatly helps in the treatment of evacuation geometry. To compare and evaluate both real and simulated evacuation tests a theory on evacuation tests assessment is developed. It includes the definition of a set of test quality parameters computable using the test results. Evacuation Test Simulation and Investigation Algorithm), conceived by the author under the principles laid down in the analysis and modeling phases of this work. It uses NetLogo, which is a multi-agent programming language embedded in an integrated modeling environment. Key features of ETSIA are: Open and easily adaptable code, because it uses a language derived from easy Logo. User friendly and customizable interface, provided by the use of NetLogo toolkit. Capable of real-time simulation or much faster, to facilitate the rapid collection of statistics. In both cases you can choose whether or not the simultaneous display of the process. In its current status, ETSIA tool can evaluate any phenomenon or aspect related to the evacuation test of narrow-body airplanes. ETSIA is able to perform a large number of simulation tests in a really short time, allowing statistical treatment of results in order to approach evacuation time sufficiently. The suitability of ETSIA to simulate the evacuation test of airplanes is numerically justified in the concluding chapter, at least for narrow bodies. The final conclusion is that ETSIA tool, even though potentially developable in some aspects, allows whichever study intended to optimize the design of transport airplane cabins, with a view to enhancing evacuation test performance and ultimately, to replace tests by simulations