Summary
According to preliminary research by the NLR the airline industry loses a lot of money on ground handling related damages. Apart from the financial consequences, there are large safety issues regarding these damages. (Balk, Safety of ground handling, 2008) About 1 in every 5000 flights suffers a severe ground handling related damage. From the research by the NLR as well as KLM damage database analysis, it can be concluded that only about 50% of these damages are reported at the place where they are caused. All other damages are found on arrival at the destination. KLM has ordered a total of 23 of the new Boeing 787-9 aircraft, this type of aircraft is the first commercial passenger jet to have a structure primarily consisting of composite materials. (Figure 1) These materials offer a number of advantages but one big downside is how the material reacts to impacts. Research at the University of California found that the outer composite skin can bounce back to its original shape, potentially hiding internal damages. (DeFrancisci, 2013) This poses a large threat to the airline industry and has sparked worries in the KLM management.
Figure 1: Composite materials in Boeing 787 design
This thesis aims to propose a way to take away the safety risks in the ground handling process. Therefore the main research question is: “How to make the ground handling process for the 787 failsafe” This question was answered using six sub-questions.
The first two questions: “How many ground handling damages occur in the current KLM ground processes?” and “Where in the process are the damages caused?” were answered using the KLM damage database. It appears that KLM suffers 1 severe ground related damage in every 4909 flights, this is in the same region as the industry wide number found by Balk. Most damages are caused around the doors of the aircraft, the vehicles mainly responsible for these damages are cargo loaders and passenger boarding devices.
To answer the questions: “What are the risks on the ground handling process and how are they currently handled?” and “Where in the current ground handling process can improvements be made?” an elaborate process analyse was made. First a process flow and critical path analysis was made to assess if the two most damage prone GSE were part of the critical process. This proved to be the case. Next a new method to analyse the risks was developed. This is a combination between a Bow-Tie method, the tripod method and FMEA, the 787 situation was used as a test case for this method. The Bow-tie and tripod analysis was done to find failing or missing barriers in the ground handling process. From the analysis it was concluded that the lack of guided docking at Schiphol posed a large safety risk. A no touch policy can provide an extra barrier for four out of the seven threats and aid in clearing the reporting issues. Technological aids can provide added safety for at least three different threats.
The Bow-Tie method is a risk qualification method. To answer the sub-question: “Can the impact of the proposed improvements be measured?” the Bow-Tie method was combined with a Failure Mode Effect Analysis. This new combined method is based on the statistics of the KLM damage database combined with estimated barrier effectiveness determined by eight experts. Four different preventive scenarios and three different reactive scenarios were proposed and tested for two KPI’s: “frequency of damaged departures of the 787” and “Airport Risk factor”. Using the current wide body fleet as a reference, the prospected number of damaged departures each year was calculated. The results can be found in Table 1. The values depicted in the table are the amount of severe damages inflicted on the total 787 part of the KLM fleet, based on the amount of flights per year and the current wide body fleet. Reactive Preventive No report Current 787 No touch 787 Improved Report 787 Current situation 2.40 1.57 1.42 0.73 Best current situation 1.49 0.97 0.88 0.45 Worst current situation 5.41 3.54 3.21 1.64 No touch scenario 0.73 0.48 0.43 0.22 Technical aids scenario 0.19 0.12 0.11 0.06
The airport risk factor can be calculated by multiplying the frequency and likelihood of detection by the severity of each threat. With the risk factor KLM can rate an airport and determine if the airport is safe enough for 787 operations. If not, the risk priority factor for each threat can help indicate what barriers need to be installed. An example of the risk priority number and the total risk factor for the preventive scenarios can be seen in Table 2.
RPN * 100.000 Current Best scenario worst
scenario No touch Tech Aids
High speed 7.64 3.76 15.05 3.76 0.75
Too Late stop 8.73 8.73 15.27 3.49 0.70
Limited space 0.55 0.26 2.06 0.26 0.26
Bad positioning 15.71 7.40 39.46 2.96 0.59
Inadvertent GSE 1.31 1.31 3.93 0.26 0.26
Inadvertent AC 1.15 1.15 1.91 0.23 0.23
Total 35.08 22.60 77.68 10.96 2.79
Table 2: Risk priority number per threat and total risk factor for preventive scenarios With the improvement scenarios determined and the measurement tool proposed, concepts were developed to indicate how KLM can start to work towards a failsafe ground handling of the new composite Boeing 787. An overview of the concepts and their influence on the frequency of severe damages can be seen in Appendix H: Table of all concepts.
Conclusions:
The main research question was: “How to make the ground handling process for the 787 failsafe”. The answer to this question is that complete failsafe is impossible in the airline industry due to the large amount of variables and manual labour. However with the proposed method the influence various improvements have can be determined and this can be used as a basis for which KLM can decide what they find an acceptable risk. Based on the research sub-questions the other conclusions are:
• Only 50% of the damages are reported at the station where the damage is caused. • Cargo loaders and passenger boarding devices are responsible for the majority of the
damages.
• The cargo loader and passenger boarding device are part of the critical process path. • A combination of the Bow-Tie and FMEA methods can provide a quantification of the risks
associated with several scenarios.
• In the current situation KLM would suffer 1.6 unnoticed damaged departures per year on the complete 787 fleet.
• By stricter adhering the current protocol, for instance by implementing the proposed flexible guiding concept this rate could go down to 0.97 damaged Boeing 787s departing each year. • The No-touch scenario can offer an increased safety. It acts as an extra barrier for four
threats and can help to reduce the ambiguity in the reporting structure. It can lead to a reduction of damaged departures to 0.43 a year. The recommended No-touch distance is 5cm.
• Technical aids can exactly address the threats that have the highest risk priority number in the ground handling process. By implementing for instance park distance control, a reduction of the projected damaged departures to 0.11 a year is possible.
• If the reporting is improved this can lead to a further reduction of departures with damage of almost 50%. Technical warning aids can provide extra safety. With all possible measures in place the damaged departure rate for KLM operations can go down to 0.06 a year.
• Especially when the aircraft just enters service, a dedicated gate is recommended. This ensures the appropriate GSE is handling the aircraft at all times, reducing the chance of damages.
Recommendations:
• The Technical University of Delft can further investigate the strength of the Bow-Tie, FMEA combination. Possibly making (parts of) it part of the curriculum.
• Further research at KLM is necessary to apply the combined method and find a risk factor for which KLM finds Boeing 787 operation warranted.
• KLM can convince the ground handling division of the need of improved safety measures such as the flexible guiding, No-touch protocol and technological aids such as park distance
Summary in Dutch
Uit eerder onderzoek door de NLR blijkt dat de luchtvaart industrie veel geld verliest door schades opgelopen in het grond afhandelings proces. Los van de financiële consequenties ontstaan er ook veiligheids problemen door deze schades. (Balk, Safety of ground handling, 2008) Ongeveer een op iedere 5000 vluchten leid een zware schade tijdens de afhandeling. Uit onderzoek van de NLR en uit de KLM schade database analyse kan worden geconcludeerd dat slechts 50% van de schades gerapporteerd wordt op de locatie waar deze is veroorzaakt. Alle andere schades worden pas geconstateerd op het moment dat het vliegtuig aankomt op de plaats van bestemming.
KLM heeft in totaal 23 bestellingen geplaatst voor het nieuwe Boeing 787-9 toestel, dit toestel is het eerste commercieel ingezette vliegtuig waarvan de dragende constructie voornamelijk bestaat uit composieten.(Figure 2) Deze materialen bieden een aantal voordelen, helaas heeft het ook een groot nadeel, er is nog grote onzekerheid over hoe deze materialen reageren op harde botsingen.
Onderzoek aan de Universiteit van Californië concludeerde dat the buitenste composiete ‘huid’ van het toestel na een botsing terug kan veren naar zijn oorspronkelijke vorm, dit kan potentiele schades aan de binnenkant van het toestel verhullen. (DeFrancisci, 2013) Een dergelijke situatie kan grote veiligheids problemen veroorzaken voor de luchtvaartindustrie en heeft geleid tot zorgen bij het KLM management.
Figure 2: Composiete materialen in het Boeing 787 ontwerp
Deze thesis heeft als doel een manier voor te stellen waarop de veiligheidsrisico’s in het grond afhandelings proces weg kunnen worden genomen. De algemene onderzoeksvraag behorende hierbij is “hoe kan het grond afhandelingsproces voor de Boeing 787 storingsvrij worden gemaakt?” Deze onderzoeksvraag is onderbouwd en beantwoord met de hulp van zes sub-vragen.
De eerste twee sub-vragen: “Hoeveel grond afhandelings schades doen zich voor in het huidige KLM proces?” en “Waar in het proces komen de meeste schades voor?” zijn beantwoord met gebruik van de KLM schade database. Het blijkt dat de KLM operatie 1 zware schade per 4909 vluchten leidt, dit is in dezelfde orde van grote als de industrie wijde waarde gevonden in de studie van Balk. De meeste schades bevinden zich rond de verschillende deuren van het vliegtuig, de voertuigen die het meest worden gezien als verantwoordelijk voor deze schades zijn de vracht laders en passagier instap apparatuur.
Een uitvoerige proces analyse is uitgevoerd om antwoord te geven op de vragen: “Wat zijn de risico’s in het grond afhandelings proces en hoe worden ze op het moment behandeld?” en “Waar in het huidige proces kunnen verbeteringen worden door gevoerd?” Eerst zijn een proces flow en kritieke pad analyse gemaakt van het huidige omdraai proces om in te kunnen schatten of de twee meest schade gevoelige voertuigen onderdeel uitmaken van het kritieke proces. Beide voertuigen blijken onderdeel te zijn van een kritiek pad, de passagier instap apparatuur is onderdeel van het algemene kritieke pad. De vracht lader is onderdeel van het kritieke pad voor de korte overstap bagage. Vervolgens is een nieuwe methode ontwikkeld om de risico’s in het grond afhandelingsproces te kunnen analyseren. Deze methode is een combinatie van de Bow-Tie, Tripod en Failure Mode Effect Analysis (FMEA) methodes. De huidige situatie met de 787 is gebruikt als case om deze methode te testen. De Bow-Tie en Tripod analyses zijn uitgevoerd om falende of ontbrekende veiligheids barrières te vinden in het afhandelings proces. Uit deze analyses bleek dat het niet uitvoeren van de protocollaire geleide aankoppeling van grond afhandelings apparatuur op Schiphol een groot
veiligheids risico met zich meebracht. Verder kan een No-Touch beleid dienen als extra barrière bij vier van de zeven geïdentificeerde oorzaken van schade en helpen bij het vermijden van rapportage problemen. Technologische hulpmiddelen kunnen voorzien in extra veiligheid bij ten minste drie oorzaken.
De Bow-Tie methode is een risico kwalificatie methode, om antwoord te kunnen geven op de sub-vraag: “Kan de invloed van voorgestelde verbeteringen worden gemeten?” is deze methode
gecombineerd met een FMEA. Voor de berekeningen in deze nieuwe gecombineerde methode wordt uitgegaan van de statistieken uit de KLM database gecombineerd met een geschatte effectiviteit van de barrières bepaald door acht veiligheids experts. Vier verschillende preventieve barrière scenario’s en drie verschillende reactieve barrière scenario’s zijn samen gesteld en getest op twee Key
Performance Indicators (KPI). De twee indicatoren zijn; “Frequentie van beschadigde 787s die vertrokken zijn” en “vliegveld risico factor”. De verwachte hoeveelheid van onopgemerkte
beschadigingen is berekend met de huidige Wide Body KLM vloot als een referentie. Het resultaat van deze berekening kan gevonden worden in Table 3. De weergegeven waardes in de tabel zijn de hoeveelheid beschadigde 787s ieder jaar als KLM de verwachte 23 787s in de vloot heeft die
Reactive Preventive No report Current 787 No touch 787 Improved Report 787 Current situation 2.40 1.57 1.42 0.73 Best current situation 1.49 0.97 0.88 0.45 Worst current situation 5.41 3.54 3.21 1.64 No touch scenario 0.73 0.48 0.43 0.22 Technical aids scenario 0.19 0.12 0.11 0.06
Table 3: verwachte onopgemerkte schades in de KLM 787 vloot per jaar
Het risico prioriteits nummer (RPN) kan worden berekend door de potentiele ernst van een oorzaak te vermenigvuldigen met de frequentie waarop deze oorzaak zich aandient en de kans op detectie van de oorzaak. Door de RPN van alle oorzaken bij elkaar op te tellen ontstaat de vliegveld risico factor. Met deze risico factor kan de KLM een vliegveld beoordelen en vast stellen of een bepaald vliegveld voldoet aan de veiligheidseisen voor de 787. Als dit niet het geval blijkt te zijn kan de RPN per oorzaak worden beoordeeld en kan worden gezien voor welke oorzaak extra barrières noodzakelijk zijn. Een voorbeeld van de RPN en de totale risico factor voor een aantal scenario’s kan worden gezien in Table 4.
RPN * 100.000 Current Best scenario worst
scenario No touch Tech Aids
High speed 7.64 3.76 15.05 3.76 0.75
Too Late stop 8.73 8.73 15.27 3.49 0.70
Limited space 0.55 0.26 2.06 0.26 0.26
Bad positioning 15.71 7.40 39.46 2.96 0.59
Inadvertent GSE 1.31 1.31 3.93 0.26 0.26
Inadvertent AC 1.15 1.15 1.91 0.23 0.23
Total 35.08 22.60 77.68 10.96 2.79
Table 4: RPN per oorzaak en totale risico factor per preventief scenario
Met de voorgestelde verbeter scenario’s en de meet methode afgeleid uit de Bow-Tie, Tripod en FMEA methodes zijn een aantal concepten ontwikkeld om aan te tonen hoe KLM naar een storingsvrij
grond afhandelings proces toe kan werken voor de nieuwe Boeing 787. De verschillende concepten zijn beoordeeld op basis van de mogelijk te bereiken barrière effectiviteit. Niet op basis van kosten, dit omdat veiligheid de drijfveer van dit onderzoek is. Een overzicht van de verschillende concepten en hun verwachte barrière effectiviteit kan gevonden worden in Appendix H: Table of all concepts. Conclusies:
De algemene onderzoeks vraag was: “hoe kan het grond afhandelingsproces voor de Boeing 787 storingsvrij worden gemaakt?”. Als antwoord kan gesteld worden dan volledig storingsvrij onmogelijk is. Dit komt doordat de luchtvaart industrie een te grote hoeveelheid variabele behelst en er te veel moet worden gewerkt met menselijke arbeid. Met de voorgestelde bereken methode kan worden berekend welke invloed verschillende verbeteringen hebben op de algehele veiligheid in het
afhandelingsproces. KLM kan een minimum veiligheidsniveau bepalen en met behulp van de nieuwe reken methode, analyseren welke verbeteringen moeten worden doorgevoerd om dit niveau te halen. Ook kunnen andere bestemmingen doorgerekend worden en kan worden besloten om wel of niet met de Boeing 787 te vliegen op deze bestemmingen. Op basis van de onderzoeks sub-vragen kunnen de volgende extra conclusies worden getrokken:
• Slechts 50% van de schades veroorzaakt in het grond afhandelingsproces worden gerapporteerd op de locatie waar ze daadwerkelijk zijn veroorzaakt.
• Vracht laders en passagier instap apparatuur zijn verantwoordelijk voor het gros van de schades.
• Zowel vracht laders als passagier instap apparatuur zijn onderdeel van het kritieke pad in het omdraai proces voor een Wide Body vliegtuig.
• De combinatie van Bow-Tie, Tripod en FMEA methodes levert een nieuwe methode welke gebruikt kan worden om risico’s in verschillende scenario’s te berekenen
• In de huidige situatie, met de huidige barrières, zou KLM 1,6 onopgemerkte schades hebben per jaar als er met 23 787s wordt gevlogen.
• Door strikter de geldende protocollen op te volgen en op Schiphol het personeel flexibeler in te zetten om grond afhandelings voertuigen naar hun plaats te leiden kan een hoger
veiligheidsniveau worden gehaald. Hierdoor zouden er nog maar 0.97 onopgemerkte schades zijn per jaar.
• Een No-Touch beleid kan een toegevoegde waarde hebben om een hoger veiligheidsniveau te halen. Het fungeert als een extra barrière voor vier van de zeven geïdentificeerde oorzaken van schade en kan helpen de onduidelijkheid in de rapportage weg te nemen. Hierdoor zou de hoeveelheid onopgemerkte schades per jaar kunnen dalen tot 0.43. de aangeraden No-Touch afstand is 5 cm.
• Technologische hulpmiddelen kunnen als extra barrières dienen bij de oorzaken waarvan de RPN na het toepassen van een No-Touch procedure nog het hoogst is. Door het toepassen
van automatische passagiers bruggen en bijvoorbeeld uitgebreide parkeer assistentie kan de hoeveelheid verwachte onopgemerkte schades gereduceerd worden tot 0.11 per jaar. • Als ook de schade rapportage kan worden aangepakt kan de schade detectie toenemen met
bijna 50%. Technische hulpmiddelen zoals bumpers met sensoren en verf die verkleurt bij aanraking kunnen hierbij helpen. Het aantal onopgemerkte schades per jaar kan hierdoor worden gereduceerd tot 0.06.
• Als het nieuwe vliegtuig net in gebruik wordt genomen is het toewijzen van een toegewijde gate aan te raden. Door het toepassen van een toegewijde gate kan ervoor worden gewaakt dat altijd de beste maatregelen en apparatuur worden ingezet bij de afhandeling van de 787 om schades te voorkomen.
Aanbevelingen:
• De technische universiteit Delft kan verder onderzoek verrichten naar de kracht van de nieuwe ontwikkelde combinatie methode. Deze methode heeft veel potentie in het
beoordelen van risico’s en kan wellicht worden toegepast in andere onderzoeks gebieden. • Verder onderzoek bij KLM kan aantonen welke risico factor voor KLM aanvaardbaar en
haalbaar is. Op basis van deze vastgestelde waarde kunnen vliegvelden worden beoordeeld. • Met behulp van de voorgestelde methode kan KLM aantonen welke verbeteringen nodig zijn
om een veilig gebruik van de Boeing 787 te waarborgen. Aan de hand van de resultaten kan de grond afhandelings afdeling overtuigd worden van de noodzaak van een No-Touch procedure en bijvoorbeeld het flexibel personeel concept en technologische hulpmiddelen.
