Safety risk modelling of flight planning in commercial operation of performance class B aeroplanes

Abstract

In recent years, more stringent aviation regulations have demanded commercial air operators to put more emphasis on quantitative risk analysis methods as part of their safety management systems. The objective has been to promote aviation safety by identifying the risk factors applicable to the operations and mitigating their effectivity based on the risk analysis results. In particularly, the importance of proper flight preparation has been underlined by European Aviation Safety Agency for the commercial operation of single-engined turbine aeroplanes in instrumental weather conditions and at night. Yet, there are still not many comprehensive analysis methods, which would examine a flight as an entirety.

The aim of this thesis was to make a research about different risk analysis methods and find suitable means to develop new kind of risk models for the case examples, which were aerodrome and landing site determination and flight planning. Under particular interest were the questions of how much risk can vary between aeroplane types and in which extent is the overall risk mitigatable. The risk models are also supposed to be a basis for a risk tool that operators could utilise in their actual flight planning processes in the future. This risk tool would primarily be applicable to the operators of single-engined turbine aeroplanes but it is utilisable for other performance class B aeroplanes as well.

As an outcome, a novel weighted fuzzy hierarchy method was developed based on previous research. It calculates an individual risk level for each aerodrome and landing site along the route and an overall risk level for the entire planned flight. As a base, it uses risk models, which are hierarchical structures of each case example’s applicable risk factors. An individual weight and set of membership functions were established for each risk factor in order to receive rational results. The weights and the membership functions were defined using the combination of expert judgement and statistics. Various example calculations showed that there are distinct variations in the risk levels of different kinds of operations. From the risk mitigation perspective, it was also noticed that the flight crew related risk factors have the most significant effect to the risk level. The method proved to be a usable and convenient tool to assess risk objectively and therefore further development and validation of this risk analysis method is recommended.

Yhä tiukemmat ilmailuvaatimukset ovat viime vuosina vaatineet kaupallisia lento-operaattoreja panostamaan enemmän määrällisiin riskianalyysimenetelmiin osana heidän turvallisuudenhallintajärjestelmiään. Tarkoituksena on ollut ilmailun turvallisuuden parantaminen tunnistamalla operaatioihin liittyvät riskitekijät ja pienentämällä niiden vaikutusta riskianalyysin tuloksien perusteella. Euroopan ilmailuturvallisuusvirasto on painottanut riittävän lennonvalmistelun tärkeyttä erityisesti yksimoottoristen potkuriturbiinilentokoneiden kaupallisessa operoinnissa mittarilentokelillä ja yöaikaan. Silti ei ole olemassa montaa riskianalyysimenetelmää, joka ottaisi huomioon lentoa kokonaisuutena.

Tämän diplomityön tavoitteena on tutkia erilaisia riskianalyysimenetelmiä ja löytää sopivat keinot kehittämään uudenlaiset riskimallit esimerkkitapauksille, jotka ovat lentokentän ja varalaskupaikan määrittäminen ja lennonsuunnittelu. Erityisenä mielenkiinnonkohteena ovat kysymykset, kuinka paljon riski voi vaihdella riippuen lentokonetyypistä ja missä määrin kokonaisriski on pienennettävissä. Riskimallien on tarkoitus myös toimia perustana riskityökalulle, jota operaattorit voisivat tulevaisuudessa käyttää todellisissa lennonsuunnitteluprosesseissaan. Tämä riskityökalu olisi pääasiassa tarkoitettu yksimoottoristen potkuriturbiinilentokoneiden operaattoreille, mutta se on sovellettavissa myös muihin suoritusarvoluokkaan B kuuluviin lentokoneisiin.

Aiemman tutkimuksen pohjalta kehitettiin uudenlainen, sumeaa logiikkaa ja painokertoimia hyödyntävä hierarkkinen menetelmä. Se laskee yksilöllisen riskitason reitin varrella oleville kullekin lentokentälle ja varalaskupaikalle ja kokonaisriskitason koko lennolle. Pohjana se käyttää riskimalleja, jotka ovat hierarkkisia rakenteita esimerkkitapausten riskitekijöistä. Yksilöllinen painokerroin ja sarja jäsenfunktioita määritettiin kullekin riskitekijälle, jotta saataisiin rationaalisia tuloksia. Painokertoimet ja jäsenfunktiot määriteltiin sekä asiantuntija-arvioiden että tilastojen avulla. Useat esimerkkilaskelmat osoittivat, että erilaisilla operaatioilla on selviä eroja riskitasoissa. Riskin pienentämisen näkökulmasta huomattiin myös, että lentomiehistöön liittyvillä riskitekijöillä on kaikkien suurin vaikutus riskitasoon. Menetelmä osoittautui käyttökelpoiseksi ja sopivaksi menetelmäksi riskin arvioimiseen objektiivisesti ja tämän johdosta tämän riskianalyysimenetelmän jatkokehittämistä ja validointia suositellaan.