SAFETY AND SECURITY ASPECTS OF USING REMOTELY PILOTED AIRCRAFT SYSTEMS ASPEKTY BEZPIECZEŃSTWA UŻYTKOWANIA BEZZAŁOGOWYCH STATKÓW POWIETRZNYCH

Transkrypt

1 TRANSPORT PROBLEMS 2016 VIII INTERNATIONAL CONFERENCE Safety, security; UAV; Unmaned Aerial Vehicle; RPAS; Remotelly Piloted Aerial System; Drone Andrzej FELLNER, Adam MAŃKA, Bogdan MAŃKA* Pierwsza organizacja, adres w języku angielskim *Corresponding author. Adam.Manka@polsl.pl SAFETY AND SECURITY ASPECTS OF USING REMOTELY PILOTED AIRCRAFT SYSTEMS Summary. The article presents the results of the tests performed during many exercises and tests with the use of unmanned aerial vehicles (UAV) of the Faculty of Transport Silesian University of Technology in cooperation with the uniformed services. The publication also includ the identified during test key threats connected with use of UAV and their classification and the possibility of counter these threats. ASPEKTY BEZPIECZEŃSTWA UŻYTKOWANIA BEZZAŁOGOWYCH STATKÓW POWIETRZNYCH Streszczenie. W artykule przedstawione zostały wyniki badań wykonanych podczas licznych ćwiczeń i testów z wykorzystaniem bezzałogowych statków powietrznych (BSP) Wydziału Transportu Politechniki Śląskiej we współdziałaniu ze służbami mundurowymi. W publikacji zawarte zostały również zidentyfikowane podczas badań podstawowe zagrożenia wykorzystania BSP oraz ich klasyfikacja oraz możliwości przeciwdziałania tym zagrożeniom. 1. WSTĘP Wykorzystanie bezzałogowych statków powietrznych (BSP), tak jak i wielu innych narzędzi wynalezionych przez człowieka, może powodować zarówno wzrost bezpieczeństwa i poprawę jakości życia oraz efektywności działań poprzez wspomaganie służb odpowiedzialnych za bezpieczeństwo jaki być przyczyną wielu istotnych zagrożeń. Szczególnie ważnym i celowym działaniem jest opracowywanie podstaw technicznych i organizacyjnych dzięki którym możliwe staje się wykorzystanie BSP do działań wspierających prace operacyjną służb dbających o bezpieczeństwo ludzi. Taki sposób użytkowania bezzałogowców stawia w pozytywnym świetle drony, które jeszcze do niedawna utożsamiane były z działaniami wojskowymi. Możliwość wykorzystania BSP do poprawy sterowania potokami ruchu w mieście, nadzór bezpieczeństwa nad imprezami masowymi w tym nad kibicami w trakcie i po meczu, zapewnienie bezpieczeństwa w ruchu drogowym pozwala nie tylko na istotne zwiększenie bezpieczeństwa ale, co warte podkreślenia, na zredukowanie kosztów związanych z działaniami służb. Obraz otrzymany z kamery umieszczonej na dronie może umożliwić racjonalny podział sił i środków dla służb np. w przypadku meczy i innych imprez masowych, podczas których zachodzi często potrzeba patrolowania wielu uliczek przez patrole służb odpowiedzialnych za bezpieczeństwo. N nocy natomiast możliwe jest poszukiwanie osób zaginionych czy monitorowanie znacznych terenów w tym obszarów o szczególnym znaczeniu dla bezpieczeństwa z dużej odległości i bezszelestnie. Obszarów zastosowań BSP jest oczywiście bardzo wiele i ciągle zakres ten jest poszerzany zarówno poprzez wykorzystanie

2 88 Andrzej FELLNER, Adam MAŃKA, Bogdan MAŃKA najnowszych osiągnięć techniki jak i coraz powszechniejszego użycia BSP i inwencji osób zajmujących się różnymi działaniami przemysłu, transportu i bezpieczeństwa rys. 1. Fig. 1. View unmanned aerial vehicles type X6 rotors spacing 960 mm used for research Rys. 1. Widok bezzałogowego statku powietrznego typu X6 o rozstawie wirników 960 mm wykorzystywanego do badań Nowe zdobycze techniki i nauki stanowiły też najczęściej również zagrożenia i tak jest również z dronami. Postęp technologiczny i lawinowy wzrost zastosowań przewyższa aktualnie postęp w dziedzinie IT czy telefonii komórkowej a wymagania legislacyjne, mimo iż ciągle dostosowywane w trybie pilnym, nie są jeszcze w stanie zapewnić nadzoru i kontroli nad zachodzącym zjawiskiem społecznym. Dlatego też bazując na doświadczeniach zdobytych podczas testów zidentyfikowano kluczowe zagrożenia oraz zaproponowano możliwości ich zapobiegania i opracowania planów awaryjnych. 2. ZAGROŻENIA WYNIKAJĄCE Z UŻYTKOWANIA BSP ORAZ MOŻLIWOŚCI PRZECIWDZIAŁANIA IM Zagrożenia związane z użytkowaniem BSP można generalnie podzielić wg źródła występowania wg schematu pokazanego na rys. 2.

3 Safety and security aspects of using remotely piloted aircraft systems 89. Zagrożenia wynikające z użytkowania BSP Intencjonalne Nieintencjonalne Błędy ludzkie Wady techniczne Błędy systemowe Czynniki zewnętrzne Fig. 2. Groups of risks arising from the use of BSP Rys. 2. Grupy zagrożeń wynikających z użytkowania BSP Zagrożenia intencjonalne stanowią bardzo poważny czynnik powodujący zmniejszenie poziomu bezpieczeństwa zarówno w obiektach prywatnych jak i instytucjach państwowych czy też obiektach o znaczeniu strategicznym. Istnieje szereg systemów detekcji BSP wykorzystywanych w prywatnych posesjach lub firmach a ich działanie oparte jest najczęściej na wykrywanie obiektów latających kamerą wizyjną, analizatorem dźwięku czy też systemem detekcji i filtracji sygnału sterowania radiowego BSP [1]. Systemy wykorzystywane do strzeżenia obiektów strategicznych wyposażone są najczęściej w sprzężenie kilku typów czujników w tym czujniki termowizyjne oraz systemy radarowe. Katedra Technologii Lotniczych również opracowała system detekcji w oparciu o sprzężenie detekcji radiowej z kamera termowizyjną. System ten okazał się skuteczny lecz nie pozbawiony ograniczeń i dlatego też jest on dalej rozwijany w kierunku rozszerzenia możliwości wykrywania z dalszej odległości oraz dla uwzględnienia specyficznych typów BSP. Poza detekcją możliwe jest również unieszkodliwianie BSP w sposób mechaniczny, optyczny lub elektromechaniczny. Mimo zastosowania zaawansowanych technologii w dalszym ciągu istnieją jeszcze obszary, w których wykorzystywane systemy detekcji i zabezpieczenia są nieskuteczne. Zagrożenia nieintencjonalne, będące następstwem błędów ludzkich lub usterek technicznych mogą prowadzić do katastroficznych konsekwencji. Zagrożenia nieintencjonalne to w większości błędy ludzkie, które są powodem awaryjnego lądowania lub utraty kontroli nad BSP i zderzenia. Błędy ludzkie (z ang. human factor) wynikające z: - nieuwagi, - brawury, - braku przeszkolenia, - czynnika zdrowotnego, - zmęczenia. Wady techniczne to najczęściej: - wady podzespołów (głównie regulatora silnika, układu GPS oraz magnetometru, kontrolera lotu, sterowania radiowego), - przekroczenia parametrów dopuszczalnych, - niska niezawodność komponentów, - brak powtarzalności produkcji i parametrów technicznych sprzętu,

4 90 Andrzej FELLNER, Adam MAŃKA, Bogdan MAŃKA - brak obowiązkowej certyfikacji BSP, - nieprawidłowe utrzymanie BSP. Błędy systemowe to: - pola do dowolnej interpretacji lub błędy wymagań prawnych, procedur lub instrukcji, które powinny marginalizować błędy ludzkie. Czynniki zewnętrzne czyli: - nagłe i intensywne zjawiska pogodowe, burze słoneczne i generowane promieniowanie zakłócające działanie systemów elektronicznych, - działania służb porządkowych, - zakłócenia spowodowane środowiskiem zewnętrznym (inne środki transportu, infrastruktura przemysłowa itd.). Spośród najbardziej znanych zagrożeń związanych z czynnikiem ludzkim jest lot dronem w pobliżu załogowego statku powietrznego lub w terenie kontrolowanym lotniska, czy tez lot dronem przed kierującym pojazdem. Podobnym błędem a w zasadzie złamaniem przepisów prawa jest lot dronem nad skupiskiem ludzi, który w przypadku połączenia np. z awarią sprzętu doprowadzić może do katastroficznych konsekwencji. Stwierdzono, że najbardziej efektywnym sposobem przeciwdziałania tym zagrożeniom są szkolenia, dlatego też w myśl najnowszej wersji rozporządzenia dotyczącego zasad wydawania świadectw kwalifikacji na wykorzystywanie BSP ( pilot drona ) w celach innych niż sportowe i rekreacyjne szkolenia będą już obowiązkowe. Pozostaje jednak znakomita większość użytkowników, którzy wykorzystują drony do celów rekreacyjnych i nie muszą przechodzić żadnych szkoleń czy egzaminów. Wady techniczne są najczęstszą przyczyna zderzeń lub przymusowych lądowań dronów w grupie operatorów posiadających świadectwo kwalifikacji. Wynika to ze stosowania znacznie cięższych maszyn o udźwigu pozwalającym na uniesienie kamer w zakresie widzialnym kamer termowizyjnych, wielospektralnych lub aparatów fotograficznych czy też innych urządzeń. Drony tego typu budowane są najczęściej z podzespołów, które nie posiadają wymaganej funkcjonalności, niezawodności o wytwarzane są w sposób, który nie zapewnia zachowania wymaganych parametrów w całym okresie bezpiecznej eksploatacji aż do serwisu. Spośród elementów BSP najbardziej awaryjnym elementem jest aktualnie regulator silnika, który podczas awarii wyłącza silnik często go niszcząc co powoduje najczęściej utratę nośności i sterowania BSP a w konsekwencji upadek lub niekontrolowany lot aż do zderzenia z przypadkowa przeszkodą. Błędy systemowe mogą mieć natomiast charakter masowy, co ma wpływ na wielkość zagrożenia. Błędem systemowym może być przykładowo brak zapisu w wymaganiach prawnych dotyczący konieczności uzyskiwania zgód i komunikowania się przed lotem dronem z zarządcą bieżącej przestrzeni powietrznej lub zezwolenie odbywania lotów w zbyt małej odległości od lotniska co doprowadzi do możliwości kolizji drona z samolotem załogowym znajdującym się na ścieżce podejścia. Czynniki zewnętrzne klasyfikowane często jako siła wyższa to takie, na które człowiek nie ma wpływu. W przypadku lotów BSP na niewielkie odległości znaczenie ma tu głównie możliwość wystąpienia wysokiego poziomu promieniowania słonecznego zakłócającego systemy elektroniczne drona a w głównej mierze zakłócającej GPS i magnetometr poprzez co BSP może odbywać lot wyłącznie w trybie manualnym o ile użytkownik zdąży świadomie się na niego przełączyć. Loty na większe odległości są obarczone dodatkowo możliwością pogorszenia pogody i wystąpienia opadów atmosferycznych, które uniemożliwią kontynuację lotu w sposób bezpieczny przy braku możliwości natychmiastowego lądowania. Znaczną część przedstawionych grup zagrożeń można uniknąć również poprzez stosowanie list kontrolnych przed startem. Przykładem takiej listy, która bazuje na doświadczeniach pracowników Katedry oraz innych użytkowników BSP jest program napisany przez autorów artykułu pod środowisko Android rys. 3.

5 Safety and security aspects of using remotely piloted aircraft systems 91. Fig. 3. View of the main window DRONE safety checklist and the QR code for Android version Rys. 3. Widok okna głównego programu DRONE safety Checklist oraz QRkod do wersji na system Android Przedstawiona na rys. 3. Aplikacja pozwala na weryfikację wykonania podstawowych czynności przed startem BSP i zatwierdzenie tej czynności w programie. Znaczna część z przedstawionych treści stanowi jednocześnie materiał dydaktyczny, który wynikał z doświadczeń i dobrych praktyk wielu operatorów, co jednocześnie pozwala na znaczną poprawę bezpieczeństwa lotu. W aplikacji podano również odnośniki do stron Urzędu lotnictwa Cywilnego [4] oraz Polskiej Agencji Żeglugi Powietrznej [5] co pozwala na zaznajomienie się z wersjami źródłowymi aktualnych wymagań prawnych w zakresie lotów BSP oraz na uzyskanie informacji na temat zajętości przestrzeni powietrznej w której chce się latać. 3. ZASTOSOWANIE BSP DLA MONITOROWANIA BEZPIECZEŃSTWA W RUCHU DROGOWYM Aktualne prace autorów ukierunkowane były na analizie możliwości wykorzystania BSP do monitorowania zachowań kierowców i przechodniów na przejściach dla pieszych. Przeprowadzone próby we współpracy Katedry Technologii Lotniczych Wydziału Transportu Politechniki Śląskiej wraz z Komenda Wojewódzką Policji w Katowicach wskazały nie tylko na skuteczność i celowość prowadzenia tego typu działań ale pokazały również możliwości doskonalenia zarówno po stronie technicznej jak i logistycznej. Ważnym elementem prowadzonych prac jest oczywiście rozdzielenie działań w dwóch zakresach tj. działań operacyjnych Policji i lotu dronem. Oba te wymagania zostały spełnione dzięki rozdzieleniu funkcji operatora drona, który z niewielkiej i bezpiecznej odległości sterował BSP oraz operatora kamery, która wraz z osprzętem dawała możliwość sterowania jej kierunkiem i powiększania obrazu na wybranym przez funkcjonariusza fragmencie. Obraz z kamer umieszczonych na dronie odbierany jest i rejestrowany nas kilku odbiornikach a jednocześnie wyświetlany na dedykowanych do tego celu okularach (goglach), w które wyposażony jest

6 92 Andrzej FELLNER, Adam MAŃKA, Bogdan MAŃKA funkcjonariusz rys. 4. Nie ma zatem potrzeby wykonywania lotów na duże odległości w zakresie wymagań bez widzialności (BVLOS). Prowadzone testy potwierdziły możliwość wykorzystania BSP do monitorowania bezpieczeństwa w ruchu drogowym i wskazały możliwości rozwoju. Dron z aktualnym wyposażeniem utrzymywał się w powietrzu na jednej baterii (akumulator litowo - polimerowy) ponad 40 minut. Przy wykorzystaniu 3 akumulatorów i wydajnej ładowarki możliwa jest ciągła praca BSP z przerwami wyłącznie na wymianę akumulatora. W razie potrzeby możliwe jest równoległe wykorzystanie dwóch dronów co daje ciągłość pracy również w czasie wymiany baterii. Aktualnie trwają prace nad doskonaleniem rozwiązań technicznych i zabezpieczeń wymaganych w działaniach operacyjnych Policji. Fig. 4. The view from camera placed on the BSP with monitored streets in the center of Katowice Rys. 4. Widok z kamery umieszczonej na BSP monitorującego ulice w centrum Katowic Na Wydziale Transportu Politechniki Śląskiej prowadzi się również prace ukierunkowane na wykorzystanie dronów do optymalizacji sterowania potokami ruchu w mieście tak, aby skrócić czas dojazdu kierowców, kierując natężenie ruchu w taki sposób aby zapewnić maksymalną przepustowość dróg lub ograniczyć ruch drogowy w miejscach niebezpiecznych. Bezzałogowe statki powietrzne mogą być zatem wsparciem dla kierowców poprzez redukowanie możliwości powstawania korków na drodze dzięki zasilaniu systemu ITS w bieżące informacje o natężeniu ruchu i ewentualnych zdarzeniach drogowych, które będą uzyskiwane dzięki wykorzystaniu dronów. 4. WNIOSKI Przeprowadzone w ramach prac badawczych Katedry Technologii Lotniczych Wydziału Transportu Politechniki Śląskiej próby wykorzystania bezzałogowych statków powietrznych do wsparcia służb mundurowych oraz straży pożarnej pozwoliły na:

7 Safety and security aspects of using remotely piloted aircraft systems 93. określenie podstawowych wymagań technicznych stawianych BSP oraz wymagań logistycznych i prawnych prowadzenia działań operacyjnych ze służbami mundurowymi; identyfikacje kluczowych zagrożeń wynikających z użytkowania dronów; klasyfikacje zagrożeń i opracowanie analizy ryzyka z hierarchizacją zagrożeń z uwagi na liczbę priorytetową ryzyka (RPN metoda FMEA); określenie metod przeciwdziałania zagrożeniom i redukcji skutków ich wystąpienia; uwzględnienie najważniejszych wymogów prawnych i dobrych praktyk w autorskim oprogramowaniu Drone Safety Check List. Pomimo wykonanych prób i uzyskaniu pozytywnych wyników testów istnieje wiele aspektów, których rozwiązanie będzie stanowiło w najbliższym czasie problem badawczy dla ośrodków naukowych związanych z BSP. Do najważniejszych z nich należą certyfikacja i znakowanie BSP dla których autorzy publikacji zaproponowali już autorskie rozwiązania oraz problem poprawy jakości i dystansu transmisji danych oraz przesyłu obrazu na żywo z BSP. Jakość i odległość transmisji obrazu jest aktualnie jednym z ważniejszych po czasie lotu ograniczeniem w realizowanych misjach z wykorzystaniem dronów. Mając na uwadze wzrost liczby użytkowanych BSP niezbędne będzie również opracowanie wspólnych zasad użytkowania w jednolitej przestrzeni powietrznej dronów i statków załogowych oraz rozwiązań technicznych pozwalających na ich wzajemną bezpieczną separację. References 1. Fellner A., Mańka B., Mańka A. Analiza aktualnych metod detekcji bezzałogowych statków powietrznych (dronów), Logistyka 2015r; 2. Andrzej Fellner, Adam Mańka, Radosław Fellner Bezzałogowe statki powietrzne drony bezpieczeństwo i zagrożenia, Przegląd Komunikacyjny 2016r; 3. Rozporządzenie Ministra Transportu Budownictwa i Gospodarki Morskiej z 26 marca 2013 r. w sprawie wyłączenia zastosowania niektórych przepisów ustawy Prawo lotnicze do niektórych rodzajów statków powietrznych oraz określenia warunków i wymagań dotyczących używania tych statków, które częściowo określa zasady wykonywania lotów; 4. Urząd Lotnictwa Cywilnego 5. PAŻP Adam Mańka, Radosław Fellner - DRONE safety Checklist - klist_copy10#details-reviews