Aeronaves remotamente tripuladas

FACTORES QUE INTERVIENEN EN LA OPERACIÓN DE SISTEMAS DE AERONAVES REMOTAMENTE TRIPULADAS PARA APLICACIONES INDUSTRIALES María Camila Rico Rodríguez Centro de Materiales y Ensayos, SENA, maricor@sena.edu.co

Michael Julián Garzón Ortiz Centro de Materiales y Ensayos, SENA, 2681@misena.edu.co

Jonathan Cortázar Camelo Centro de Tecnologías del Transporte, SENA, jcortazar@sena.edu.co

Juan Manuel Gil Bello Facultad de Ingeniería y Ciencias Básicas, Universidad Central, jgilb@ucentral.edu.co

Resumen Durante la última década, se ha extendido el uso de aeronaves remotamente tripuladas en sectores tales como: cine, televisión, agricultura de precisión, deporte, recreación, aplicaciones industriales, defensa y seguridad, entre otras.

En Colombia, es cada vez más frecuente el uso de esta tecnología, razón por la cual, la Unidad Administrativa Especial de la Aeronáutica Civil de Colombia, ha establecido diferentes condiciones para su operación, enmarcadas en la circular reglamentaria número 002. Los aspectos contemplados en la normatividad deben ser tenidos en cuenta a la hora de diseñar, fabricar y validar sistemas de aeronaves remotamente tripuladas, los cuales son el conjunto de factores (humano, comunicaciones, transmisión de datos, aeronave remotamente tripulada, sistema de lanzamiento y recuperación) que intervienen en los procesos de operación de aeronaves. Al focalizar dichos factores y la normatividad en el cumplimiento de una misión, es posible obtener una herramienta de uso industrial de alta capacidad que permita realizar tareas de gran precisión, a bajo costo, minimizando los riesgos de lesiones a las personas o daños a los bienes (seguridad operacional) y reduciendo riesgos laborales que se pueden presentar en actividades de trabajo en alturas y exposición a riesgo químico, entre otros. El presente artículo, pretende describir y exponer la correlación entre los factores mencionados anteriormente y su importancia, para garantizar la seguridad y calidad en la realización de diferentes tareas industriales.

Palabras clave RPAS, autoridad aeronáutica, espacio aereo, seguridad operacional, aeronavegabilidad.

1 Introducción Las aeronaves remotamente tripuladas, conocidas popularmente como “drones”, cuya utilización es cada vez más frecuente, han tenido una evolución importante a lo largo de la última década. Jarnot (2012) afirma que la historia de las aeronaves remotamente tripuladas puede ser comparada con la historia de la aviación, teniendo en cuenta que desde los primeros

años de la aviación la idea de transportar una aeronave sin tripulantes tenía como ventaja la eliminación del riesgo para la vida de las personas a bordo. Aeronaves tales como Curtis N-9 Aerial Torpedo (1918), Curtis N2C-2 drone (1930’s), TND-1 (1940’s), AQM-34 (1960’s) de uso militar, permitieron desarrollar los sistemas de control, de navegación y automatización que conllevaron a la operación actual de aeronaves no tripuladas de alto rendimiento con las que cuentan las fuerzas militares de los países más avanzados a nivel tecnológico.

En la actualidad, las aeronaves no tripuladas hacen parte de una de “las 10 tecnologías emergentes más importantes del 2017”, por su aplicación como herramienta eficiente para la agricultura de precisión, la cual consiste en aumentar el rendimiento y la calidad de los cultivos, por medio del procesamiento de imágenes con las que se puede determinar la salud de las plantas y optimizar el uso de insumos químicos y agua en los mismos (Forbes, 2017).

Otra actividad que ha revolucionado el uso de las aeronaves no tripuladas es la inspección remota de diferentes estructuras complejas, a las cuales no es posible acceder con facilidad, y cuyo acceso, en muchos casos puede poner en riesgo la integridad fisica de las personas, como por ejemplo el mantenimiento de líneas eléctricas (Reinoso, 2015) o la inspección de palas de aerogeneradores (Bernabéu, 2015). Un caso de éxito en esta nueva industria es la compañía británica CyberHawk, la cual se dedica desde el año 2008 a la inspección de estructuras como oleoductos, puentes, chimeneas industriales, entre otras, con sistemas de aeronaves remotamente tripuladas RPAS y a la fecha registra más de 5000 inspecciones estructurales completadas, es decir aproximadamente dos operaciones diarias (CyberHawk, 2017).

Las aeronaves remotamente tripuladas son un buen aliado tecnológico en diferentes campos como el cine, la televisión, la agricultura de precisión, el deporte, la recreación, las aplicaciones industriales, la defensa y seguridad, entre otros. Es importante resaltar, que el desarrollo de esta tecnología está en auge, no obstante, este crecimiento ha traido consigo el aumento de operaciones con estas aeronaves, lo cual ha alertado a diferentes autoridades aeronáuticas, como, la Administración de Aviación Federal de Estados Unidos de América (FAA), la cual reporto en 2015 el avistamiento de aproximadamente 650 aeronaves no tripuladas por parte de diferentes pilotos comerciales de Estados Unidos; 412 más, que en el 2014 (Náutica, 2015). Este fenómeno ha obligado a la Organización de Aviación Civil Internacional-OACI a pronunciarse sobre el tema. En el año 2011, dicha organización emitió la Circular 328, en la cual, define los Sistemas de Aeronave Remotamente Tripulada (RPAS) como un componente del sistema aeronáutico, resaltando que cada estado debe comprender, definir y regular su uso con el objetivo de motivar nuevas posibilidades de aplicaciones comerciales civiles. En el caso de Colombia, la Unidad Administrativa Especial de Aeronáutica Civil (UAEAC) publicó la circular reglamentaria número N°002 (Requisitos Generales de Aeronavegabilidad y Operaciones para RPAS), la cual restringe la operación de Drones exigiendo una serie de requisitos técnicos, que pretenden llevar

un control del espacio aéreo y que garantizan la seguridad en las operaciones aéreas (UAEAC 2015) La regulación vigente, está dirigida, más allá de fomentar o apoyar el uso de aeronaves no tripuladas, a garantizar niveles aceptables de riesgo operacional para las aeronaves tripuladas, esto se debe a que las normas o reglamentos aeronáuticos actuales están diseñados para la aviación tripulada y esta es la prioridad para la autoridad aeronáutica. La razón por la cual, aún los Sistemas de Aeronave Remotamente Tripulada (RPAS) no tienen libertad operativa como la que tiene la aviación tripulada es de entender, considerando que su regulación está en pleno desarrollo y está basada en el estudio de los factores que conforman la operación de un sistema de aeronave remotamente tripulada integrada en el espacio aéreo.

2 ANÁLISIS DE LOS FACTORES Los factores que intervienen en la operación de sistemas de aeronaves remotamente tripuladas (RPAS) en el espacio aéreo, para esta investigación y con el ánimo de dar una explicación más simple se dividieron de la siguiente manera: factores del sistema, factores regulatorios y factores éticos.

2.1 Factores del sistema La operación de aeronaves remotamente tripuladas debe considerarse como la interacción de un conjunto de elementos que permiten llevar a cabo la misión o propósito para el cual fue diseñado el sistema.

Brungardt (2012), indica que los elementos que intervienen en los sistemas de aeronaves remotamente tripuladas son: La aeronave no tripulada, el elemento humano, la carga paga, las comunicaciones, el sistema de control, el sistema de lanzamiento y recuperación. En la siguiente gráfica se ilustra la interacción de estos elemenos.

Figura 1. Elementos de un Sistema de Aeronave No Tripulada (Brungardt, 2012) 2.1.1

Elemento Humano

Brungardt (2012), considera el factor humano como el más importante de los elementos del sistema, teniendo en cuenta que el ser humano es necesario para el funcionamiento del sistema no tripulado, es quien lo diseña, construye, valida, opera e interviene en el mismo. Es entonces el ser humano responsable de la operación de la aeronave remotamente tripulada. Es importante resaltar los siguientes aspectos inherentes al factor humano: •

Seguridad operacional: “La seguridad operacional es considerada como el estado en que el riesgo de lesiones a las personas o daños a los bienes se reduce y se mantiene en un nivel aceptable” (Unidad Administrativa Especial de Aeronáutica Civil, 2016), es decir, mantener en márgenes tolerables la probabilidad de afectar durante la operación de un UAS la integridad de personas o bienes. Este aspecto es de considerar ya que según Clarence Rash (2006) los accidentes por factores humanos en UAS representaban entre el 28% y el 79% del total de accidentes que reportaron las fuerzas militares estadounidenses; la distribución de estos porcentajes se puede apreciar en la tabla siguiente.

Tabla 1. Resumen de tasa de errores asociados a accidentes de aeronaves no tripuladas en las ramas de las Fuerzas Militares Norteamericanas

(Hottman, 2012)

Martinez (2012), en su publicación acerca de la gestión sistémica del error, relaciona el sistema propuesto por James Reason en la decada de los 90 el cual ha revolucionado la forma de analizar eventos o accidentes, conocido como el “Modelo del Queso Suizo”.

En la figura 2 se adapta el modelo al contexto de las aeronaves remotamente tripuladas de la siguiente manera: El operador de aeronave remotamente tripulada RPA establece una serie de defensas (láminas de queso) contra los riesgos presentes en los diferentes aspectos de la operación, mientras que los agujeros son las fallas o condiciones latentes presentes en los procesos. Estas latencias son dinámicas, constantemente están cambiando y cuando se alinean el evento se presenta.

Figura 2 Modelo del Queso Suizo de Reason aplicado a las aeronaves remotamente tripuladas •

Interacción hombre máquina: El diseño ergonómico es fundamental a la hora de desarrollar RPAS, es decir el enfoque debe ser centralizado a que la máquina se asemeje o iguale a una extensión de los sentidos del usuario; con integraciones de precisión se puede dar un aumento en las habilidades perceptivas de los operadores y su conciencia en las diferentes situaciones, adicionalmente aumenta la capacidad de realizar operaciones bajo estrés.

En cuanto a las situaciones de alta demanda cognitiva, una integracion altamente efectiva con automatizaciones confiables contribuyen a la reducción de la carga de trabajo y la fatiga (Hottman, 2012), siendo esta última una de las causas de muchos accidentes aéreos.

•

Tamaño de la tripulación y entrenamiento: El tamaño de la tripulación depende de las caracteristicas de la aeronave remotamente tripulada. Dolgov y Hottman (2012) indican que “el tamaño y la composición de la tripulación pueden tener un impacto significativo en la habilidad de los equipos de operaciones para llevar a cabo la misión”.

En cuanto al entrenamiento es importante resaltar la importancia de establecer una normatividad solida que requiera unas aptitudes y competencias acorde con la responsabilidad que tendría un operador de este tipo de aeronaves, acompañado de entrenamiento particular en el modelo de aeronave impartido por el fabricante.

2.1.2

Carga Paga

La carga paga, hace referencia en el contexto de operaciones industriales a todo sensor o equipo que permite llevar a cabo la tarea o propósito para el cual esta diseñada la aeronave remotamente tripulada. Según Brungardt (2012), “la carga paga puede relacionarse a vigilancia, entrega de armas, comunicaciones, detección aerea, comunicaciones o carga; el tamaño y el peso de carga paga son una de las consideraciones màs importantes a la hora de diseñar un RPA”.

2.1.3

Comunicaciones, comando y control.

Para el comando y control de una aeronave remotamente tripulada, se requiere un componente central de procesamiento, definido por Garcia (2017), como el componente principal de una aeronave remotamente tripulada (RPA), dado que compara y registra todo lo que sucede en la aeronave; gran parte de los sensores y componentes se conectan en el procesador central.

Brungardt (2012), describe cómo las aeronaves remotamente tripuladas envian y reciben información entre estas y la estación en tierra desde el sistema de control en tierra hasta el comando central. Resalta dos categorias de comunicación: “Line-of-sight (LOS)”, hace referencia a línea de visión lo cual implica que el operador siempre tiene visibilidad de la aeronave desde tierra; y “beyond line-of-sight (BLOS)”, la cual indica que el operador tiene comunicación con la aeronave mediante la intervención de sub estaciones o satelites que envian y reciben la señal de su posición. A continuación se presenta una ilustración de la operación LOS y BLOS:

Figura 3. Operaciones LOS y BLOS (Cuadra & Whitlock, 2014)

2.1.4

Sistema de Lanzamiento y Recuperación

Los sistemas de lanzamiento y recuperación en sistemas de aeronaves remotamente tripuladas RPAS, son desarrollados por el fabricante de la aeronave, dependiendo, del tipo de aeronave (ala rotatoria, ala fija, globo, entre otros) y del entorno operativo en el cual llevará a cabo la misión para la cual fue diseñado. Brungardt (2012), describe el elemento de lanzamiento y recuperación “Launch and recovery element (LRE)”, como uno de los aspectos que requieren mayor dedicación dentro en la operación de aeronaves remotamente tripuladas RPA; adicionalmente relaciona algunos ejemplos de sistemas de lanzamiento y recuperación tales como: Lanzamiento y recepción con las manos, catapultas de lanzamiento y redes de recuperación, pistas y helipuertos encargados del lanzamiento y recepción de la aeronave.

2.2 Factores regulatorios Debido al aumento de la fabricación y operación de aeronaves remotamente tripuladas en el mundo, las autoridades aeronáuticas de cada pais, tienen el reto de generar la integración de los sistemas no tripulados en su espacio aereo, considerando la seguridad de todas las operaciones.

2.2.1

Organización de Aviación Civil Internacional (OACI)

La Organización de Aviación Civil Internacional (OACI), publicó en el año 2015, el “Manual sobre sistemas de aeronaves pilotadas a distancia (RPAS)”, en el cual esta contenido el marco normativo internacional para la operación segura de aeronaves remotamente tripuladas, el cual contempla: Generalidades, certificado tipo, autorización especial, aeronavegabilidad, registro, seguridad operacional, otorgamiento de licencias y competencia, operaciones, comunicaciones, control, integración al “Air Traffic Management (ATM)” y uso de aeródromos (Organización de Aviación Civil internacional, 2015). Sin embargo, cada estado miembro de la OACI, es autónomo en la implementación de normas para el uso de aeronaves remotamente tripuladas (RPA).

2.2.2

Unidad Administrativa Especial de Aeronáutica Civil de Colombia (UAEAC)

La Unidad Administrativa Especial de Aeronáutica Civil de Colombia (UAEAC), emitió la Circular Reglamentaria número 002 en el año 2015, con el propósito de “ampliar la información e impartir instrucciones de cumplimiento en referencia a los requisitos de aeronavegabilidad y operaciones necesarios para obtener el permiso de acuerdo a lo esrablecido en el numeral 4.25.8.2 de los Reglamentos Aeronáuticos de Colombia (RAC) a distancia- RPAS diferentes a las de recreación y deporte” (Unidad Administrativa Especial de Aeronáutica Civil de Colombia, 2015).

La UAEAC (2015), plantea una serie de condiciones de aeronavegabilidad en caso de explotación comercial de aeronaves remotamente tripuladas; dichas condiciones reunen unos requisitos específicos para la operación en Colombia que contemplan aspectos asociados a:

materiales de las aeronaves remotamente tripuladas y sus partes, sistemas de propulsión, equipamento, componentes electrónicos, sistemas de recuperación y lanzamiento, condiciones de la estación en tierra, restricciones de peso, entornos de operación, horas de operación, limitaciones de operación, poliza de seguro, entrenamiento del operador, entre otros aspectos.

Es importante que la regulación establecida para la operación de aeronaves remotamente tripuladas (RPA) sea de estricto cumplimiento por parte de los explotadores, operadores, grupos de investigación, etc. con el ánimo de mantener un ambiente operacional seguro en el espacio aéreo y en el territorio nacional.

2.3 Factores éticos El desarrollo tecnológico acelerado de la última década ha traido consigo, múltiples cuestionamientos como ¿Hasta qué punto es correcto el uso de aeronaves no tripuladas, las cuales tienen la capacidad de tomar imágenes e ingresar de manera remota a casi cualquier sitio (dependiendo de la misión para la cual son diseñados)?, ¿Cómo se garantiza el uso apropiado de esta tecnologia?, ¿Cómo se puede garantizar seguridad al sector de aeronaves tripuladas?

Este tipo de cuestionamientos permiten conocer diferentes puntos de vista respecto a las acciones correctas e incorrectas asociadas al uso de las aeronaves remotamente tripuladas (RPA).

Rao (2016), contempla el impacto de las aeronaves remotamente tripuladas como tecnología emergente, y como estas afectan los valores y creencias de los seres humanos, adicionalmente explora los retos a los cuales se enfrenta la humanidad teniendo en cuenta la implicación del uso de estos dispositivos en el aspecto de seguridad, integridad, confiabilidad y efectividad del proceso de regulación por parte de la autoridad aeronáutica.

Por otra parte Dalmia y Sharma (2017), abordan los “Dilemas morales de la cuarta revolución industrial”, teniendo en cuenta los riesgos y oportunidades que se presentan con las nuevas tecnologias y los desafios éticos derivados de su implementación.

La ética tiene como reto, evolucionar armónicamente con la tecnología, por lo tanto la autoridad aernonáutica, debe contemplar en su normatividad como controlar las acciones tomadas por los explotadores que atenten contra la seguidad y privacidad.

3 Conclusiones Es importante que exista sinergia en los elementos que conforman un sistema de aeronave remotamente tripulada (RPAS), para que su operación este enmarcada dentro de unos estandares de seguridad operacional y confiabilidad.

Los factores humanos son el elemento fundamental del sistema, considerando que, de su capacidad, depende la seguridad de las personas y bienes que intervienen en el entrono operativo. Así mismo el factor asociado a la regulación tiene como base las disposiciones generadas por parte de la autoridad internacional (OACI) y su implementación a nivel nacional por parte de la (UAEAC), lo cual implica un reto cultural y técnico en términos de apropiación tecnológica.

Mantener los riesgos operacionales en márgenes aceptables es un aspecto importante para resguardar la seguridad de la aviación no tripulada y que esta a su vez no se convierta en una condición latente de alto impacto en las operaciones en el espacio aéreo.

El factor ético es un punto determinante en las limitaciones de la operación de aeronaves remotamente tripuladas, considerando que de este depende el alcance asociado al uso de esta tecnología.

Finalmente, la integración de este tipo de aeronaves al espacio aéreo se encuentra en desarrollo a partír de la evaluación de los factores planteados en el presente documento; con participación de desarrolladores, explotadores, autoridades aeronáuticas y demás entidades regulatorias que estan involucradas en la correcta peración de aeronaves remotamente tripuladas (RPAS).

4 Recomendaciones Los sistemas de aeronaves remotamente tripuladas son una tecnología emergente en desarrollo, la cual requiere de la participación activa de las instituciones académicas, sector productivo y entes gubernamentales con el fin de que la armonización de las normas futuras sea acogida por el sector aéreo y el público en general.

Los explotadores de aeronaves remotamente tripuladas deben ser coscientes y comprender el entorno operativo y consecuencias en seguridad que puede tener una operación irresponsable con este tipo de aeronaves.

Es fundamental la divulgación de la normatividad al público en general teniendo en cuenta que los sistemas de aeronaves remotamente tripuladas trascienden a diferentes sectores que no se encuentran familiarizados con el ámbito aeronáutico.

Agradecimientos Agradecimiento especial al Servicio Nacional de Aprendizaje SENA- Centro de Materiales y Ensayos representado por el Subdirector Ingeniero Santiago Julio Camacho Peña y al lìder del Grupo de investigación Ingeniero Pedro Rodriguez Sandoval por la motivación y el apoyo para generar y apropiar conocimiento en temas de aeronaves no tripuladas, adicionalmente a los instructores, investigadores y aprendices de los semilleros SIMCOMP y SIPSA. Agradecimientos a la Universidad Central, en especial al Centro para la Innovación y la Investigación de la Facultad de Ingeniería, dirigido por el Ingeniero Gustavo Adolfo Naranjo por su confianza y disposición en el proyecto de aeronaves remotamente tripuladas.

Agradecimientos al Servicio Nacional de Aprendizaje SENA- Centro de Tecnologías del Transporte representado por el Subdirector Ingeniero William Dario Riaño Baron y al equipo SENNOVA CTT, por sus aportes y disposición en el marco del proyecto de aeronaves remotamente tripuladas. Agradecimiento al Ingeniero Andres Parra Catama, Inspector de Seguridad Aérea, de la Unidad Administrativa Especial de Aeronáutica Civil por su consejeria y aporte a este sector emergente de la aviación.

Referencias Libro de Autor: Organización de Aviación Civil internacional. (2015). Manual sobre sistemas de aeronaves pilotadas a distacia (RPAS). Montreal, Quebec, Canada: OACI. R. B., S. H., D. M., & E. S.. (2012) Introduction to Unmanned Aircraft Systems. Boca Raton, Florida, USA: Taylor & Francis Group.

Unidad Administrativa Especial de Aeronáutica Civil. (2017). Reglamento Aeronáutico Colombiano RAC. Bogotá, Colombia: UAEAC.

Capítulo de libro: Jarnot, C. (2012). History. En R. B., S. H., D. M., & E. S., Introduction to Unmanned Aircraft Systems (pág. 1-12). Boca Raton, Florida, USA: Taylor & Francis Group.

Reinoso, R. (2015). Aplicaciones al mantenimiento de líneas eléctricas. Los drones y sus aplicaciones a la ingeniería civil (pág. 175-184). Madrid, España: Dirección General de Industria, Energía y Minas de la Comunidad de Madrid.

Bernabéu, C. (2015). Aplicaciones la inspección de palas de aerogeneradores. Los drones y sus aplicaciones a la ingeniería civil (pág. 221-227). Madrid, España: Dirección General de Industria, Energía y Minas de la Comunidad de Madrid.

Brungardt, J. (2012). Unmanned Aircraft System Elements. En R. B., S. H., D. M., & E. S., Introduction to Unmanned Aircraft Systems (pág. 17-28). Boca Raton, Florida, USA: Taylor & Francis Group.

Unidad Administrativa Especial de Aeronáutica Civil. (2016). Reglamento Aeronáutico Colombiano RAC 219. Bogotá, Colombia: UAEAC. Hottman, I. D. (2012). Human Factors in Unmanned Aircraft Systems. En R. B., S. H., D. M., & E. S., Introduction to Unmanned Aircraft Systems (pág. 167). Boca Raton, Florida, USA: Taylor & Francis Group.

Unidad Administrativa Especial de Aeronáutica Civil de Colombia. (2015). Circular Reglamentaria Nº 002: Requisitos Generales de Aeronavegabilidad y Operaciones para RPAS. Bogotá, Colombia: UAEAC.

Tesis: García, I. (2017). Estudio sobre vehículos aéreos no tripulados y sus aplicaciones (Tesis Publicada).

Universidad de Valladolid, Valladolid, España.

Artículo de revista: Forbes. (2017). Las 10 Tecnologías Emergentes más Importantes del 2017. Revista Forbes Náutica, R (2015). FAA preocupada por uso de drones. Revista A21mx.

Martínez A. (2012). Gestión sistémica del error: el enfoque del Queso Suizo en las auditorías. Innotec Gestión, Revista del Laboratorio Tecnológico de Uruguay.12-21.

Cuadra, A., & Whitlock, C. (20 de 06 de 2014). How drones are controlled. The Washington Post, pág.

1.

Dalmia V.,& Sharma K. (27 de 02 de 2017). Los dilemas morales de la Cuarta Revolución Industrial.

World Economic Forum.

Rao, B., Gopi, A. G., & Maione, R. (2016). The societal impact of commercial drones. Technology in Society, 45, 83-90. DOI: 10.1016/j.techsoc.2016.02.009

Página web: CyberHawk. (30 de 07 de 2017). thecyberhawk. Obtenido de thecyberhawk: http://www.thecyberhawk.com/service/structural-and-thermal-inspection-4/