Towards safer mining: the role of modelling software to find missing persons after a mine collapse

Purpose. The purpose of the study is to apply science and technology to determine the most likely location of a container in which three miners were trapped after the Lily mine disaster. Following the collapse of the Crown Pillar at Lily Mine in South Africa on the 5th of February 2016, there was a national outcry to find the three miners who were trapped in a surface container lamp room that disappeared in the sinkhole that formed during the surface col-lapse. Methods. At a visit to Lily Mine on the 9th of March, the Witwatersrand Mining Institute suggested a two-way strategy going forward to find the container in which the miners are trapped and buried. The first approach, which is the subject of this paper, is to test temporal 3D modeling software technology to locate the container, and second, to use scientific measurement and testing technologies. The overall methodology used was to first, request academia and research entities within the University to supply the WMI with ideas, which ideas list was compiled as responses came in. These were scrutinized and literature gathered for a conceptual study on which these ideas are likely to work. The software screening and preliminary testing of such software are discussed in this article. Findings. The findings are that software modeling is likely to locate the present position of the container, but accurate data and a combination of different advanced software packages will be required, but at tremendous cost. Originality. This paper presents original work on how software technology can be used to locate missing miners. Practical implications. The two approaches were not likely to recover the miners alive because of the considerable time interval, but will alert the rescue team and mine workers when they come in close proximity to them.Мета. Визначення можливого місця локалізації лампового приміщення контейнера, в якому опинилися три шахтаря після аварії на шахті Лілі (Барбертон, Мпумаланга) методом комп’ютерного моделювання. Після обвалення стельового цілика на шахті Лілі 5 лютого 2016 року почалася національна кампанія з порятунку трьох шахтарів, які залишилися у ламповому приміщенні поверхневого транспортного контейнера, що провалився в утворену після вибуху воронку. Методика. Співробітниками Гірничого Інституту (Уітуотерс) запропонована двостадійна стратегія пошуку контейнера, в якому існує ймовірність знаходження шахтарів. В рамках першого підходу (який розглядається у даній статті) для виявлення контейнера здійснювалось випробування комп’ютерної технології 3D-моделювання в часі. Другий підхід передбачав технологію проведення наукового вимірювання та експерименту. В цілому, методологія включала, насамперед, підключення викладацького та наукового складу університету до вирішення проблеми шляхом комплексної генерації ідей, які були об’єднані в загальний список, вивчені із залученням відповідних літературних джерел, і найбільш реалістичні ідеї були виділені із загального переліку. Дана стаття розглядає результати комп’ютерної експертизи цих ідей та перевірки надійності відповідного програмного забезпечення. Результати. Для зручності моделювання процес обвалення був розділений на три окремі фази: руйнування воронки, руйнування західного схилу та небезпека ковзання на південних схилах. Ідентифіковано програмні технології, які можуть імітувати рух контейнера у перших двох фазах обвалення. В результаті моделювання у програмному забезпеченні ParaView виявлено місце розташування даного контейнера. Виконано аналіз південного схилу за допомогою ArcGIS і складені карти небезпеки схилу для району, а також підземні карти порятунку з маршрутами евакуації. Встановлено, що комп’ютерне моделювання може визначити місцезнаходження контейнера, але для цього потрібні точні вихідні дані й комплекс дорогих високоефективних програмних пакетів. Наукова новизна. Вперше застосовано комплекс комп’ютерних технологій та програмного забезпечення для пошуку зниклих шахтарів після аварійних ситуацій у підземному просторі шахт. Практична значимість. При застосуванні двостадійної стратегії пошуку шахтарів, що опинилися під завалом порід, команда рятувальників отримає сигнал про наближення до їх місцезнаходження.Цель. Определение возможного места локализации лампового помещения контейнера, в котором оказались три шахтера после аварии на шахте Лили (Барбертон, Мпумаланга) методом компьютерного моделирования. После обрушения потолочного целика на шахте Лили 5 февраля 2016 года началась национальная кампания по спасению трех шахтеров, оставшихся в ламповом помещении поверхностного транспортного контейнера, который провалился в воронку, образовавшуюся после взрыва. Методика. Сотрудниками Горного Института (Уитуотерс) предложена двухстадийная стратегия поиска контейнера, в котором существует вероятность нахождения шахтеров. В рамках первого подхода (который рассматривается в данной статье) для обнаружения контейнера производилось испытание компьютерной технологии 3D-моделирования во времени. Второй подход предполагал технологию проведения научного измерения и эксперимента. В целом, методология включала, прежде всего, подключение преподавательского и научного состава университета к решению проблемы путем комплексной генерации идей, которые были объединены в общий список, изучены с привлечением соответствующих литературных источников, и наиболее реалистичные идеи были выделены из общего списка. Настоящая статья рассматривает результаты компьютерной экспертизы данных идей и проверки надежности соответствующего программного обеспечения. Результаты. Для удобства моделирования процесс обрушения был разделен на три отдельные фазы: разрушение воронки, разрушение западного склона и опасность скольжения на южных склонах. Идентифицированы программные технологии, которые могут имитировать движение контейнера в первых двух фазах обрушения. В результате моделирования в программном обеспечении ParaView выявлено местоположение данного контейнера. Выполнен анализа южного склона с помощью ArcGIS и составлены карты опасности склона для района, а также подземные карты спасения с маршрутами эвакуации. Установлено, что компьютерное моделирование может определить местонахождение контейнера, но для этого нужны точные исходные данные и комплекс дорогостоящих высокоэффективных программных пакетов. Научная новизна. Впервые применен комплекс компьютерных технологий и программного обеспечения для поиска пропавших шахтеров после аварийных ситуаций в подземном пространстве шахт. Практическая значимость. При применении двухстадийной стратегии поиска шахтеров, оказавшихся под завалом пород, команда горноспасателей получит сигнал о приближении к их местонахождению.The results of the article were obtained without the support of any of the projects or funding

Mapping and classification of ecologically sensitive marine habitats using unmanned aerial vehicle (UAV) imagery and object-based image analysis (OBIA)

Nowadays, emerging technologies, such as long-range transmitters, increasingly miniaturized components for positioning, and enhanced imaging sensors, have led to an upsurge in the availability of new ecological applications for remote sensing based on unmanned aerial vehicles (UAVs), sometimes referred to as “drones”. In fact, structure-from-motion (SfM) photogrammetry coupled with imagery acquired by UAVs offers a rapid and inexpensive tool to produce high-resolution orthomosaics, giving ecologists a new way for responsive, timely, and cost-effective monitoring of ecological processes. Here, we adopted a lightweight quadcopter as an aerial survey tool and object-based image analysis (OBIA) workflow to demonstrate the strength of such methods in producing very high spatial resolution maps of sensitive marine habitats. Therefore, three different coastal environments were mapped using the autonomous flight capability of a lightweight UAV equipped with a fully stabilized consumer-grade RGB digital camera. In particular we investigated a Posidonia oceanica seagrass meadow, a rocky coast with nurseries for juvenile fish, and two sandy areas showing biogenic reefs of Sabelleria alveolata. We adopted, for the first time, UAV-based raster thematic maps of these key coastal habitats, produced after OBIA classification, as a new method for fine-scale, low-cost, and time saving characterization of sensitive marine environments which may lead to a more effective and efficient monitoring and management of natural resource

Dense Motion Estimation for Smoke

Motion estimation for highly dynamic phenomena such as smoke is an open challenge for Computer Vision. Traditional dense motion estimation algorithms have difficulties with non-rigid and large motions, both of which are frequently observed in smoke motion. We propose an algorithm for dense motion estimation of smoke. Our algorithm is robust, fast, and has better performance over different types of smoke compared to other dense motion estimation algorithms, including state of the art and neural network approaches. The key to our contribution is to use skeletal flow, without explicit point matching, to provide a sparse flow. This sparse flow is upgraded to a dense flow. In this paper we describe our algorithm in greater detail, and provide experimental evidence to support our claims.Comment: ACCV201

Columnar structure formation of a dilute suspension of settling spherical particles in a quiescent fluid

The settling of heavy spherical particles in a column of quiescent fluid is investigated. The performed experiments cover a range of Galileo numbers ($110 \leq \text{Ga} \leq 310$) for a fixed density ratio of $\Gamma = \rho_p/\rho_f = 2.5$. In this regime the particles are known (M. Jenny, J. Du\v{s}ek and G. Bouchet, Journal of Fluid Mechanics 508, 201 (2004).) to show a variety of motions. It is known that the wake undergoes several transitions for increasing $\text{Ga}$ resulting in particle motions that are successively: vertical, oblique, oblique oscillating, and finally chaotic. Not only does this change the trajectory of single, isolated, settling particles, but it also changes the dynamics of a swarm of particles as collective effects become important even for dilute suspensions, with volume fraction up to $\Phi_V = \mathcal{O}\left(10^{-3}\right)$, which are investigated in this work. Multi-camera recordings of settling particles are recorded and tracked over time in 3 dimensions. A variety of analysis are performed and show a strong clustering behavior. The distribution of the cell areas of the Vorono\"i tessellation in the horizontal plane are compared to that of a random distribution of particles and shows clear clustering. Moreover, a negative correlation was found between the Vorono\"i area and the particle velocity; clustered particles fall faster. In addition, the angle between two adjacent particles and the vertical is calculated and compared to a homogeneous distribution of particles, clear evidence of vertical alignment of particles is found. The experimental findings are compared to simulations.Comment: 8 pages, 6 figure

Effective viscosity of grease ice in linearized gravity waves

Grease ice is an agglomeration of disc-shaped ice crystals, named frazil ice, which forms in turbulent waters of the Polar Oceans and in rivers as well. It has been recognized that the properties of grease ice to damp surface gravity waves could be explained in terms of the effective viscosity of the ice slurry. This paper is devoted to the study of the dynamics of a suspension of disc-shaped particles in a gravity wave field. For dilute suspensions, depending on the strength and frequency of the external wave flow, two orientation regimes of the particles are predicted: a preferential orientation regime with the particles rotating in coherent fashion with the wave field, and a random orientation regime in which the particles oscillate around their initial orientation while diffusing under the effect of Brownian motion. For both motion regimes, the effective viscosity has been derived as a function of the wave frequency, wave amplitude and aspect ratio of the particles. Model predictions have been compared with wave attenuation data in frazil ice layers grown in wave tanks.Comment: 13 pages, 3 eps figures included; one more section on inertia effect

Quasi-static granular flow of ice mélange

We use Landsat 8 imagery to generate ice mélange velocity fields at Greenland’s three most productive outlet glaciers: Jakobshavn Isbræ, Helheim Glacier, and Kangerdlugssuaq Glacier. Winter velocity fields are generally steady and highly uniform. Summer velocity fields, on the other hand, tend to be much more variable and can be uniform, compressional, or extensional. We rarely observe compressional flow at Jakobshavn Isbræ or extensional flow at Helheim Glacier, while both are observed at Kangerdlugssuaq Glacier. Transverse velocity profiles from all three locations are suggestive of viscoplastic flow, in which deformation occurs primarily in shear zones along the fjord walls. We analyze the transverse profiles in the context of quasi-static flow using continuum rheologies for granular materials and find that the force per unit width that ice mélange exerts on glacier termini increases exponentially with the ice mélange length-to-width ratio and the effective coefficient of friction. Our estimates of ice mélange resistance are consistent with other independent estimates and suggest that ice mélange may be capable of inhibiting iceberg calving events, especially during winter. Moreover, our results provide geophysical-scale support for constitutive relationships for granular materials and suggest a potential avenue for modeling ice mélange dynamics with continuum models.From acknowledgments: Funding for this project was provided by the U.S. National Science Foundation (DMR-1506446 and DMR-1506307). Digital elevation models were provided by the Polar Geospatial Center under the U.S. National Science Foundation (OPP-1043681, OPP-1559691, and OPP-1542736)Ye