WO2018156003A1 - Método de trazado de rutas para evacuación personalizada óptima basado en propagación de gases en espacios confinados - Google Patents

Método de trazado de rutas para evacuación personalizada óptima basado en propagación de gases en espacios confinados Download PDF

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Jesus Roberto SITTEN AYALA
Eduardo RODARTE LEYVA
Hiram GUTIERREZ LIZARRAGA
Dino Alejandro Pardo Guzman
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Sitten Ayala Jesus Roberto
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    • E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
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    • E21F17/00—Methods or devices for use in mines or tunnels, not covered elsewhere
    • E21F17/18—Special adaptations of signalling or alarm devices
    • G—PHYSICS
    • G08—SIGNALLING
    • G08B—SIGNALLING OR CALLING SYSTEMS; ORDER TELEGRAPHS; ALARM SYSTEMS
    • G08B21/00—Alarms responsive to a single specified undesired or abnormal condition and not otherwise provided for
    • G08B21/02—Alarms for ensuring the safety of persons
    • G08B21/12—Alarms for ensuring the safety of persons responsive to undesired emission of substances, e.g. pollution alarms
    • G08B21/14—Toxic gas alarms
    • G—PHYSICS
    • G08—SIGNALLING
    • G08B—SIGNALLING OR CALLING SYSTEMS; ORDER TELEGRAPHS; ALARM SYSTEMS
    • G08B25/00—Alarm systems in which the location of the alarm condition is signalled to a central station, e.g. fire or police telegraphic systems
    • G08B25/01—Alarm systems in which the location of the alarm condition is signalled to a central station, e.g. fire or police telegraphic systems characterised by the transmission medium
    • G08B25/10—Alarm systems in which the location of the alarm condition is signalled to a central station, e.g. fire or police telegraphic systems characterised by the transmission medium using wireless transmission systems

Definitions

  • the present invention has its preponderant application in mining safety practices, specifically in plotting optimal routes for safe evacuation of miners by combining atmospheric variable measurement devices and their propagation algorithms.
  • Mining is a task that presents high risk scenarios to the integrity of workers.
  • most companies have means of detecting toxic gases but do not guarantee the safety of workers.
  • Said detectors emit visual and audible alarms when they identify a gas concentration greater than the allowed one, although it is not necessarily effective when evacuating miners if a protocol for such evacuation is not managed.
  • the present invention arises from the problem in which the miners are when evacuating. When an alarm is issued or a hazard signal is identified, due to the conditions of the underground spaces and the types of emergency, workers are not aware of which section the risk is. It is for the foregoing that the present invention aims at generating safe evacuation routes based on the location of each miner and the areas where the risk is found. Said invention provides the miner with an evacuation route generating safe routes and avoiding dangerous areas.
  • US Patent No. 20080137589 makes it technically possible and economically feasible to monitor a series of safety-related information, which can act quickly to save lives. These advantages arise from several features of the invention that include the monitoring of unsafe conditions and early warning of some imminent disasters so that workers can escape safely.
  • US Patent No. 9404363 describes a proximity detection system to prevent collisions between equipment and personnel.
  • the proximity detection system can be installed on the equipment and, if personnel are detected in the "danger" zone, the system can be configured to perform several automatic actions, such as issuing a warning (for example, visual and / or audible) or stop the operation of the piece of equipment.
  • Personnel can be detected by the proximity detection system using a personal device (“PWD”) used by personnel.
  • PWD personal device
  • patent No. CN104847410 The invention provides an intelligent method and system for early detection of mine gases, wherein the system comprises a module for acquiring data to acquire information about the environment of a coal mine, and a controller comprising an initialization module, a preliminary evaluation module, a comprehensive evaluation module and a complementary evaluation module.
  • a controller comprising an initialization module, a preliminary evaluation module, a comprehensive evaluation module and a complementary evaluation module.
  • Chinese Patent No. 102228319 describes an intelligent helmet consisting of a lamp, multi-sensors, a camera and a data processing module. So the helmet detects toxic gas concentrations, dust concentration, temperature, humidity and video signals in an underground environment in real time, and the processed data is sent to an underground communication substation by the wireless communication module.
  • Patent No. CN 103188604 claims a method and a device that achieves the positioning and navigation of the underground mine, and refers to the fields of wireless communication, positioning and distance measurement.
  • the method and device can achieve high-precision positioning and navigation of underground mine personnel and mobile equipment.
  • patent No. US20100127853 describes methods and apparatus for locating and tracking objects in a mining environment that include selecting an operational area within which the locations of a plurality of objects have to be determined and tracked over time. The relative positions of the various objects are determined by measuring the flight time of the radio signals exchanged between several of the radio transceiver systems and analyzing the flight time of said radio signals exchanged.
  • Figure 1 is a diagram of the stages of the Toxic Gas Propagation Algorithm of the present invention.
  • Figure 2 is a flow chart of the Optimal Route Plotting Algorithm.
  • Figure 3 is a flow chart of the Central Processing Node of the system of this invention.
  • Figure 4 and 5 is an example of the node installations and an example of a dangerous situation, respectively.
  • Figure 1 describes the stages of the Toxic Gas Propagation Algorithm.
  • the Algorithm develops in a defined confined space [101] with sensor reading [102], which monitors the concentration percentage of at least one toxic gas (Methane, Carbon Monoxide, Carbon Dioxide, Hydrogen Sulfide, Dioxide of Nitrogen, etc.), temperature and relative humidity. If you find the values of gas concentrations within If allowed, return to the beginning to continue monitoring, if not, locate the areas or sections where the increase in concentration of at least one gas [103] began by means of mobile and fixed nodes. Likewise, the nodes that detected the increase in gas measure wind speed and direction [104], in order to calculate the direction of gas propagation [105]. Finally, a map of danger zones is generated with the gas propagation direction [106].
  • FIG. 2 shows the stages of the Optimal Route Plotting Algorithm that is executed once a Risk Scenario is detected [201].
  • the map of risk zones [202] generated by the PGT Algorithm is analyzed, which, in combination with the geolocation of each miner [203], uses the Sa location register for each exit and entry into the mine [204] and determine the routes and exits available for each miner, such as elevators, stair ramps, etc. Based on the map, location of miners and available exits, at least one optimal evacuation route is drawn for each miner [205] and alerts are generated on each mobile node [208].
  • FIG. 3 describes the functions of the Central Processing Node [301].
  • the optimal route mapping algorithm [303] generates safe routes for each miner.
  • Central Processing Mode [301] sends information for each miner [304], the information includes voice communication, map of risk areas and at least one evacuation route.
  • the Central Processing Node [301] remotely activates the light signals [305], in order to illuminate the sections with or risk areas so that the miner is guided by the safest route.
  • Figure 4 illustrates Sos components of the present invention.
  • the illustration belongs to a section within the mine, the fixed nodes [SF] (black box) arranged in the walls of the tunnels [PT], which can detect concentrations of toxic gases and location of the miner or mobile nodes [SM ] (black triangle).
  • Light signals [SL] arranged in the walls of the tunes [PT] but more specifically at the entrance of each section.
  • Figure 5 illustrates the operation of the PGT Algorithm and the Path Optimization Algorithm.
  • Two miners [M1, M2] are in different sections. Routinely, the PGT Algorithm monitors all nodes within the mine, abnormally a fixed node detects [NF2] a concentration of a gas [CG], immediately the PGT Algorithm detects the position of said node to measure the speed and direction of wind.
  • the measurements of two other nodes are used with reference to the propagation start node with opposite directions [NF1, NF3] in order to analyze their gas percentage measurements and in combination with the wind direction and speed a direction of major propagation [DP>] and a minor [DP ⁇ ] of toxic gas.
  • the Optimal Route Tracing Algorithm When detecting the danger state, the Optimal Route Tracing Algorithm locates the two miners [M1, M2] near the danger zone by means of short distance radio frequency antennas arranged at the nodes.
  • a node [NF4] detects the position of the first miner [M1] and another node [NF5] to the second [M2
  • the Central Processing Node sends a map of risk zones generated by the PGT Algorithm and a safe evacuation route generated by the Route Plot Algorithm to each miner.
  • the first miner [M1] receives an exit route [SM1] available at that time, at the same time it sends a different route to the second miner [M2] but gives the option of two available outputs.
  • the Central Processing Node remotely activates two light signals [SL1, SL2] giving different values.
  • a first light signaling [SL1] gives a red color which means that the section you are entering is extremely dangerous, while a second light signaling [SL2] gives a yellow color indicating that it is dangerous on the increase.
  • the colors of the signals are granted by the central node, but are based on the direction of propagation of the gas.

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Abstract

La presente invención describe un método de Trazado de Rutas Óptimas personalizadas para evacuación segura con base en algoritmos de propagación de gases, conformado por nodos fijos dispuestos en paredes de túneles que se encargan de medir variables atmosféricas como concentración de gases tóxicos, humedad relativa, dirección del viento y temperatura, y nodos móviles portados por mineros que, además de detectar distintos tipos de gases, también proporcionan comunicación de voz. Un nodo central de procesamiento integra algoritmos de propagación de gases y algoritmo de generación de rutas de evacuación óptimas, con el fin de identificar rutas de salidas disponibles según ubicación de cada minero.

Description

MÉTODO DE TRAZADO DE RUTAS PARA
EVACUACIÓN PERSONALIZADA ÓPTIMA BASADO EN PROPAGACIÓN DE GASES EN ESPACIOS CONFINADOS CAMPO TÉCNICO DE LA INVENCIÓN
La presente invención tiene su aplicación preponderante en prácticas de seguridad en minería, específicamente en trazado de rutas óptimas para evacuación segura de mineros mediante combinación de dispositivos de medición de variables atmosféricas y algoritmos de propagación de los mismos.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
La minería es una labor que presenta escenarios de alto riesgo a la integridad de los trabajadores. En minería subterránea la mayoría de empresas cuentan con medios de detección de gases tóxicos pero no garantizan la seguridad de los trabajadores. Dichos detectores emiten alarmas visuales y audibles cuando identifican una concentración de gas mayor a la permitida, aunque no necesariamente es eficaz a la hora de evacuar a los mineros si no se gestiona un protocolo para dicha evacuación.
La presente invención surge de la problemática en la que se encuentran los mineros al evacuar. Al emitirse una alarma o identificar un señalamiento de peligro, debido a las condiciones de los espacios subterráneos y los tipos de emergencia, los trabajadores no están conscientes respecto a cuál sección está el riesgo. Es por lo anterior que la presente invención tiene como objetivo la generación de rutas de evacuación seguras con base en la ubicación de cada minero y las zonas donde se encuentra el riesgo. Dicha invención proporciona al minero una ruta de evacuación generando rutas seguras y evitando zonas peligrosas.
A continuación, se presenta una breve descripción de patentes actuales en relación al tema, con el fin de hacer referencia con la presente invención. La patente Estadounidense No. 20080137589, hace técnicamente posible y económicamente factible monitorear una serie de información relacionada con la seguridad, la cual puede actuar rápidamente para salvar vidas. Estas ventajas surgen de varias características de la invención que incluyen el monitoreo de condiciones inseguras y la alerta temprana de algunos desastres inminentes para que ios trabajadores puedan escapar con seguridad. Así mismo, la patente Estadounidense No. 9404363 describe un sistema de detección de proximidad para prevenir colisiones entre el equipo y el personal. El sistema de detección de proximidad se puede instalar en el equipo y, si se detecta personal en la zona de "peligro", el sistema puede configurarse para realizar varias acciones automáticas, como emitir una advertencia (por ejemplo, visual y / o audible) o detener el funcionamiento de la pieza de equipo. El personal puede ser detectado por el sistema de detección de proximidad usando un dispositivo personal ("PWD") usado por el personal.
Se refiere al campo de la prevención de explosiones y Sa supresión de explosiones bajo las minas, la patente No. CN104847410, La invención proporciona un método y sistema inteligente de detección temprana de gases de mina, en donde el sistema comprende un módulo de adquisición de datos para adquirir información del entorno de una mina de carbón, y un controlador que comprende un módulo de inicialización, un módulo de evaluación preliminar, un módulo de evaluación integral y un módulo de evaluación complementario. Similarmente la patente China No. 102228319 describe un casco inteligente conformado por una lámpara, multi-sensores, una cámara y un módulo de procesamiento de datos. De manera que el casco detecta concentraciones de gases tóxicos, concentración de polvo, temperatura, humedad y las señales de vídeo en un entorno subterráneo en tiempo real, y los datos procesados son enviados a una subestación de comunicación subterránea por el módulo de comunicación inalámbrico.
Por otro lado, la patente No. CN 103188604 reclama un método y un dispositivo que consigue el posicionamiento y ia navegación de la mina subterránea, y se refiere a los campos de comunicación inalámbrica, posicionamiento y medición de distancia. El método y el dispositivo pueden conseguir un posicionamiento y una navegación de alta precisión del personal de las minas subterráneas y del equipo móvil.
Entre otras, la patente No. US20100127853 describe métodos y aparatos para localizar y rastrear objetos en un entorno de minería que incluyen seleccionar un área operacional dentro de la cual las ubicaciones de una pluralidad de objetos han de determinarse y rastrearse en el tiempo. Las posiciones relativas de los diversos objetos se determinan midiendo el tiempo de vuelo de las señales de radío intercambiadas entre varios de los sistemas de transceptor de radio y analizando el tiempo de vuelo de dichas señales de radio intercambiadas.
DESCRIPCION DETALLADA DE LA INVENCIÓN
Los detalles característicos de la presente invención, se muestran claramente en la siguiente descripción y en las figuras que se acompañan, las cuales se mencionan a manera de ejemplo, por lo que no deben considerarse como una limitante para dicha invención.
Breve descripción de las figuras: La figura 1 es un diagrama de las etapas del Algoritmo de Propagación de gases tóxicos, de la presente invención.
La figura 2 es un diagrama de flujo del Algoritmo de Trazado de Rutas Optimas. La figura 3 es un diagrama de flujo del Nodo Central de Procesamiento del sistema de esta invención.
La figura 4 y 5 es un ejemplo de las instalaciones de los nodos y un ejemplo de una situación de peligro, respectivamente.
La figura 1 describe las etapas del Algoritmo de Propagación de Gases Tóxicos. El Algoritmo se desarrolla en un espacio confinado definido [101] con la lectura de sensores [102], el cual monitorea el porcentaje de concentración de al menos un gas tóxico (Metano, Monóxido de Carbono, Dióxido de Carbono, Sulfuro de Hidrogeno, Dióxido de Nitrógeno, etc.), temperatura y humedad relativa. Si encuentra los valores de concentraciones de gases dentro de lo permitido regresa al inicio para continuar monitoreando, sí no es así, ubica las zonas o secciones donde inició el aumento de concentración de al menos un gas [103] por medio de los nodos móviles y fijo. Asi mismo los nodos que detectaron el aumento del gas, miden ia velocidad y dirección del viento [104], con el fin de calcular la dirección de propagación del gas [105]. Finalmente, con la dirección de propagación del gas se genera un mapa de zonas de peligro [106].
La figura 2 detaiSa las etapas del Algoritmo de Trazado de Rutas Óptimas que se ejecuta una vez se detecta un Escenario de Riesgo [201]. Se analiza el mapa de zonas de riesgo [202] generado por el Algoritmo de PGT que en combinación con la geolocalización de cada minero [203], se utiliza el registro de Sa ubicación de cada salida y entrada en la mina [204] y se determinan las vías y salidas disponibles para cada minero, tales como ascensores, rampas escaleras, etc. Con base en eS mapa, ubicación de mineros y salidas disponibles se traza al menos una ruta óptima de evacuación para cada minero [205] y se genera alertas en cada nodo móvil [208].
La figura 3 describe las funciones del Nodo Central de Procesamiento [301]. Ejecuta el Algoritmo de PGT [302] cuando se detecta un estado de peligro en al menos una sección dentro de la mina. De inmediato el algoritmo de trazado de rutas óptimas [303] genera rutas seguras para cada minero. El Modo Central de Procesamiento [301] envía información para cada minero [304], ia información incluye comunicación por voz, mapa de zonas de riesgo y al menos una ruta de evacuación. Finalmente, el Nodo Central de Procesamiento [301] remotamente activa ios señalamientos luminosos [305], con el fin de iluminar las secciones con o zonas de riesgo para que el minero sea guiado por la ruta más segura.
La figura 4 ilustra Sos componentes de la presente invención. La ilustración pertenece a una sección dentro de la mina, los nodos fijos [SF] (cuadro negro) dispuestos en las paredes de los túneles [PT], los cuales pueden detectar concentraciones de gases tóxicos y ubicación del minero o los nodos móviles [SM] (triangulo negro). Señalamientos luminosos [SL] dispuestos en las paredes de los tunes [PT] pero más específicamente en la entrada de cada sección.
La figura 5 ilustra el funcionamiento del Algoritmo de PGT y el Algoritmo de Trazado de Rutas Optimas. Dos mineros [M1, M2] se encuentran en diferentes secciones. Rutinariamente, el Algoritmo de PGT monitores todos los nodos dentro de la mina, anormalmente un nodo fijo detecta [NF2] una concentración de un gas [CG], de inmediato el Algoritmo de PGT detecta la posición de dicho nodo para medir la velocidad y dirección de viento. Se utilizan las mediciones de otros dos nodos con referencia al nodo de inicio de propagación con direcciones opuestas [NF1 , NF3] con el fin de analizar sus mediciones de porcentaje de gases y en combinación con la dirección y velocidad del viento se calcula una dirección de propagación mayor [DP>] y una menor [DP<] del gas toxico. Al detectar el estado de peligro el Algoritmo de Trazado de Rutas Optimas ubica a los dos mineros [M1 , M2] cercano a la zona de peligro por medio de antenas de radio-frecuencia de corta distancia dispuesta en los nodos. Un nodo [NF4] detecta la posición del primer minero [M1] y otro nodo [NF5] al segundo [M2|. Así mismo detecta tres vías o salidas disponibles [S1 , S2, S3] libres de gases con base a otros nodos [NF6]. El Nodo Central de Procesamiento envía un mapa de zonas de riesgo generada por el Algoritmo de PGT y una ruta de evacuación segura generada por el Algoritmo de Trazado de Ruta a cada minero. El primer minero [M1] recibe una ruta [SM1] de salida disponible en ese momento, al mismo tiempo le envía una ruta diferente al segundo minero [M2] pero de da Sa opción de dos salidas disponibles. Finalmente, el Nodo Central de Procesamiento activa de forma remota a dos señalamientos luminosos [SL1 , SL2] dándole valores diferentes. A un primer Señalamiento luminoso [SL1] le da un color rojo que significa que la sección a la que está ingresando es extremadamente peligrosa, mientras que a un segundo Señalamiento luminoso [SL2] le otorga un color amarillo indicando que es peligroso en aumento. Los colores de los señalamientos son otorgados por el nodo central, pero se basan en la dirección de propagación del gas.

Claims

REIVINDICACIONES La presente invención reclama:
1.- Método de trazado de mías óptimas personalizadas para evacuación segura con base en propagación de gases, conformado por dispositivos de medición de variabíes atmosféricas, algoritmos de propagación de gases tóxicos y algoritmo de generación de rutas de evacuación óptimas, con el fin de identificar rutas de salidas disponibles según ubicación de cada minero, caracterizado por:
a.- Al menos un nodo fijo de medición de variables atmosféricas conformado por un microcontrolador que integra sensores para medición de concentración de gases específicos, temperatura, humedad relativa y velocidad de viento dentro de un espacio confinado delimitado.
b.- Al menos un nodo móvil portado por el líder de cuadriSSa de mineros con capacidad de detección de gases tóxicos, localización geográfica y comunicación inalámbrica, conformado por una pantalla para visualizar información. c- Señalamiento luminoso con variación de color, intensidad y frecuencia de encendido dependiendo del riesgo de la zona, dispuesto en las paredes de entrada de cada túnel, ramal o sección de la mina para identificar el tipo de riesgo que se encuentra dentro de la sección. d. - Algoritmo de Propagación de Gases Tóxicos (PGT), el cual permite modelar el grado de propagación y concentración de al menos un gas específico dentro de un área específica, y algoritmo de Trazado de Rutas de Evacuación, el cual combina datos generados por los nodos móviles y fijos y por algoritmo PGT para generar rutas de evacuación dependiendo de la cantidad de vías y salidas disponibles para cada minero. e. - Nodo central de procesamiento conformado por procesador que integra algoritmo PGT y algoritmo de Trazado de Rutas de Evacuación, recibe datos de nodos fijos y móviles para generar mapa de zonas con grado de riesgo en cada sección de ia mina. Realiza las siguientes tareas: i) comunicación por voz, ii) determinar ruta de evacuación para cada minero, iii) enviar información de dicha ruta de evacuación para cada minero para desplegar en nodo portable y iv) enviar datos a señalamientos luminosos dependiendo de ia zona de peligro.
2,~ Método como el especificado en la reivindicación 1 , donde se incluye medición de velocidad y dirección del viento para determinar la dirección y velocidad de propagación de los gases.
3.- Método como ei especificado en reivindicación 2, donde se incluye medición de humedad relativa para incrementar ia precisión de detección de gases en distintos tipos de ambientes.
4. - Método como el especificado en reivindicación 1 , donde la intercomunicación entre nodos se lleva acabo con alguno de los siguientes protocolos de comunicación inalámbrica a) Wifi, b) ZigBee, c) Bluetooth.
5. - Método como el especificado en reivindicación 1 , donde los nodos fijos incluyen al menos una antena de radiofrecuencia de corto alcance.
6.- Método como en el especificado en reivindicación 1 , donde los nodos móviles incluyen ai menos un tag de tecnoiogía RFID Activo para determina su ubicación por los nodos fijos.
7.- Método como el especificado en reivindicación 1 , donde los nodos tienen la capacidad de detectar alguno de los siguientes gases: a) Oxígeno, b) Metano, c) Monóxido de Carbono, d) Dióxido de Carbono, e) Sulfuro de Hidrógeno, f) Dióxido de Nitrógeno.
8. - Método como ei especificado en reivindicación 1 , donde el nodo central está ubicado en la superficie.
9. - Método como el especificado en reivindicación 1 , donde el algoritmo de PGT adicionalmente monitores mezclas explosivas de gases.
10.- Método como el especificado en reivindicación 1 , donde el algoritmo de trazado de rutas contempla ¡as vías y salidas disponibles como ascensores, rampas, escaleras, etc.
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