煤矿智能化是煤炭行业高质量发展的核心技术支撑。目前，我国煤炭行业实现了以“记忆截割为主，人工干预为辅”、“无人跟机作业，有人安全巡视”为特征的智能化开采。王国法院士构建了煤矿智能化标准体系框架，提出了煤矿智能化发展原则和目标任务，将透明地质模型列入煤矿智能化主要系统之一。但目前的透明地质模型存在着精度偏低且缺乏与煤矿智能开采相适应的软件体系等瓶颈问题，为了给煤矿智能开采提供一个地质与开采相适应的高精度地质导航地图，需构建更加适用的智能开采透明工作面技术架构。
1 透明工作面研究现状
地质透明化是地质行业发展的新方向，依托互联网、大数据、人工智能等技术，基于海量多源、异构异质的勘查数据，建立三维可视化精细地质模型，详细地展示某一地区的地质、地球物理属性、地下结构等环境信息，揭示地质背景和灾害机理，可极大地提高对地质现象和地质环境的认知能力，为地质、资源和环境决策分析提供支撑。
1999年，澳大利亚地学家CARR G R首次提出“玻璃地球”计划以提高人们对地球内部的认识，使大陆表层1 000 m内的地质过程像玻璃一样透明。STAFLEU J提出建立荷兰地表以下500~1 000 m的三维可视化透明地质模型，为地下工程安全、大型建筑实施、石油天然气等资源管理提供保障。加拿大地质学家RUSSELL H A J 认为将三维数字模型用于水文地质研究，可使得地质条件评估更加透明化。英国、法国、德国、美国等多个国家也相继提出“玻璃地球”、“透明地质”等理念。在矿产开发领域，2011年澳大利亚地质学家BERG R C指出地质透明化有利于对矿产资源和储量以及环境影响进行评价，平衡了矿产开采和环境保护之间的关系。
我国在1999年提出了“中国数字地球”发展战略，从国家目标和全球战略的层面分析了发展“数字地球”的迫切性，指出需要建立统一的地学数据库，进行地学数据的集成和一体化。随着“数字地球”概念的普及，我国取得了越来越多的地质透明化相关研究成果。2003年，吴立新等基于数字地球和数字中国战略，分析了我国矿山信息化建设现状，提出了通过多源异质数据的挖掘来构建三维可视化地质模型。2012年，张夏林等总结分析了“玻璃国土”建设中的三维矿山地质建模方法，提出了需要建设多分辨率集成应用的一体化高精度矿山地质模型。2014年，吴冲龙等提出了开展面向“智能城市”的新型“玻璃地球”建设，通过建立城市三维动态、精细化、多要素的地质模型，使一定深度以上的城市地壳透明化，提升应对城市水资源贫化、地质环境恶化和地质灾害频发等问题的能力，为城市跨越式和可持续发展提供资源环境保障。
我国针对智能开采的透明工作面研究，集中开展于2019年之后。彭苏萍充分总结和分析了我国煤炭地质透明化的发展现状，提出了在统一的数据融合基础上，进一步提高地球物理勘探精度，提高矿井地质的透明化水平。袁亮总结了智慧矿井发展的地质要求，明确了智慧矿井构架组成中，地质条件是发展的基础和先行者，矿井地质透明化是煤炭精准开采智慧化的重要基础。董书宁总结梳理了地质保障系统的发展演化，从煤炭智能开采的角度强调了建设透明矿井的重要性。程建远等分析了工作面地质探测技术现状，提出了构建黑箱、灰箱、白箱和透明模型的透明工作面地质模型总体思路。王存飞等分析了透明工作面的建设意义，提出了基于物联网与虚拟现实技术架构的透明工作面模型，形成“感知—传输—分析决策—控制”的闭环开采。毛善君等分析了国内外研究现状，提出了包括三维引擎层、智能煤矿平台层和生产操作层的透明化矿山系统构建的体系架构。卢新明等指出要实现煤炭精准开采，就要形成煤矿地质的几何与属性的时空可视化和透明化，这无论是对机械化开采、自动化开采，还是对智能化开采都至关重要。刘万里等提出了一种煤层三维模型的动态精细修正技术，进而提升煤层三维模型局部精度。刘再斌提出了以采前、采中产生的多源异构数据为基础，与开采系统循环互馈的透明工作面多属性动态建模方法，提升了面向煤矿智能化开采地质模型的精度。
由于地质数据来源众多，数量庞大，易形成数据孤岛。目前，透明工作面仍然存在着地质模型精度低、动态更新能力差、与生产系统脱节等问题，需要从架构层面提出更加高效的透明工作面开采技术体系。
2 透明工作面技术架构
建设透明工作面技术架构需要从以下4个方面实现：
1）标准化流程构建。标准化工业流程可以建立每1步工作之间的逻辑关系，明确分工职责，细化工作步骤，达到精简工作、提高效率、规范管理。
2）多维数据实时获取。从工作面掘进到回采，伴随着工作面开采工作的进行，每个阶段都产生了大量数据，实现多场、多源、多维数据的实时获取能力。
3）多源异构数据综合解释。工作面内部探测、监测数据量的增长要求透明工作面的构建能够融合多源异构数据进行综合解译并提高精度。
4）地质与开采系统动态交互。打通地质与开采之间的数据壁垒，实现地质在开采工作中的导航作用。
图1 透明工作面技术架构
数据、信息和知识是人们对于客观事物感知和认识的3个连贯阶段。无处不在的数据聚合集成后转化为信息，信息结构化后变成知识。为了更好地利用煤矿地质工作中产生的海量数据，将其转化为服务于智能开采的信息和知识，需构建“数据透明-信息透明-知识透明”3层全息透明架构下的透明工作面体系。该架构体系将工业互联网、5G、云计算、智能感知、数字孪生、服务中台等新兴技术与传统地质勘探、煤矿开采相结合，采用流程化、模块化的思想进行设计，构建了包含智能传输控制、智能数据服务和智能应用3大部分的流程化分工协作模式，打通地质与开采之间的壁垒，实现从地质到开采各个要素之间统一的规范化集成、系统化重构、自主化分析和智能化管控。透明工作面架构体系如图1所示。
智能传输控制使用工业互联网、5G、云计算、智能传感器等技术实现数据采集和设备控制，分为边缘层、接入层、基础设施层。边缘层包含智能设备监控模块和感知设备监测模块，对采煤装备进行监测和控制，对人员和环境进行全面感知，完成透明工作面系统和开采系统的对接。接入层主要为智能数据网关模块，全面集成装备、传感器协议，完成数据标准的统一。基础设施层包含智能通信模块和智能计算存储模块，构建高可靠、大带宽、低延时的通信网络和安全可靠的云计算、存储系统。
智能数据服务使用大数据存储、挖掘、治理等技术实现工作面数据服务，分为透明矿井数据中心、基础中台和透明矿井服务中台。透明矿井数据中心对多源数据进行数据治理、构建数据索引和提供数据管理服务。基础中台构建容器模块、微服务模块、开发流水线模块，提供底层开发相关服务。透明矿井服务中台对数据、业务、技术进行分类集成，提供通用型业务接口，直接对接煤矿生产应用。
智能应用包含透明工作面应用前台和入口2层。入口层的统一门户模块，建立企业用户认证中心，实现基于安全策略的统一用户管理、认证和单点登录；入口层的应用管理模块实现前台应用的分发、管理。应用前台层包含综合探测监测、多源数据融合、三维地质建模、智能规划截割、透明工作面数字孪生、AI地质分析等模块，提供面向智能开采生产全过程的应用服务，并规划了透明工作面扩展应用接口及其他业务接口。
3 透明工作面构建关键技术
3.1 多源异构数据融合
矿井勘探、建设和生产各个阶段都会产生不同数据维度、物理属性、时空特征和精度的地质相关数据。工作面地质数据主要通过钻探、物探、采掘工程、传感器监测和“三机”反馈等手段获得。按照数据的空间特征分为：点、线、面和体数据；按照数据的时空特征分为：时间域、深度域、频率域和时频域等；按照数据的表征特征分为：几何数据和属性数据；按照数据产生的频度特征分为：静态数据、动态数据和实时数据。数据特征存在复杂性、异构性、海量性、孤立性，但又存在相关性，通过多源异构数据配准、标定、交叉验证、联合反演，降低地质数据的多解性，提高数据的精度，如图2所示。
图2 透明工作面多源异构数据融合
统一坐标体系是数据融合的基础和前提，将所有数据按照平面坐标参考同一基准点转换到同一坐标体系下，对多源数据之间存在的相关性进行计算和分析，利用精度较高的点、线数据标定精度较低但密度较大的面、体数据，使非深度域的面、体数据转换到深度域中，提高平面二维数据精度并将其转换为三维数据。
交叉验证是多专业、多属性表象的综合解读，不同数据的构造和属性解释结果存在差异，交叉验证能够去伪存真，最大限度降低多解性。
不同数据之间具有地质相关性，其反映的地质属性和精度特征不同，可通过联合反演，发挥各自数据的优势，提高数据空间精度和丰富数据属性。数据的去异构性需要进行配准和标定，数据的去多源性特征需要进行交叉验证，数据空间精度的提高和属性的丰富需要进行联合反演，最终得到工作面地质建模所需的几何、构造和属性要素。
3.2 多属性动态可视化建模
多属性地质建模是以三维地震数据体为地层和构造框架，以钻探、槽波、孔中物探、传感器监测和三机反馈等数据进行动态标定修正，以岩石物理测试和地质监测等数据为属性填充的一体化综合建模技术。
几何模型构建包括地层面和断层面空间形态拓扑关系的网格化重构等。属性模型的构建通过利用目标地层岩石物理测试数据和地质监测数据进行属性插值，按照平面坐标赋值到几何模型中。
由于静态地质模型无法满足智能化开采的精度要求，必须利用回采过程中的地质数据，不断更新静态地质模型，逐级提高煤层地质模型精度。回采前构建初始模型，回采中采用局部搜索、离散光滑插值、动态逼近和随动网格技术对更新的数据进行局部快速融入，满足智能化开采对地质模型精度和时效性的要求。基于智能判断的局部自动更新机制，实现模型任意局部更新及整体模型的无缝合成，采用实时体绘制技术对多属性模型进行实时绘制。工作面多属性动态建模流程如图3所示。
图3透明工作面多属性动态建模流程
3.3 地质与开采系统信息互馈
为了打通地质模型和开采设备之间的壁垒，实现地质与开采系统信息互馈，在地质信息获取方面，建立统一的智能开采透明工作面数据库，有效利用多属性动态探测信息，充分融合地质与开采系统实时动态信息，采用惯性导航、激光雷达等空间定位设备，生成透明工作面绝对坐标系。在此基础上，利用多种传感器，对地质条件、设备位姿、煤岩变化等进行实时监测和远程控制。
针对地质条件和开采系统透明度低，互馈性差等问题，通过构建数字孪生系统，搭建三维虚拟开采场景，将真实开采工况映射至虚拟空间。对物理实体的几何、构造特征进行仿真描述，真实的展现出透明工作面物理模型的几何形态和属性状态。利用历史和实时监测大数据模型，对地质和开采系统互馈机制进行溯源、融合、学习、训练和优化，实时数据接口将大数据人工智能分析的控制决策下达至开采系统，实现以物理实体模型的海量数据驱动虚拟孪生模型动态更新，以虚拟孪生模型的知识信息反馈指导物理模型进行工作面煤层开采。
在地质模型提供的数据信息基础上，统一数据标准与口径，利用应力、温度、湿度、浓度等多参数传感器监测技术装备，分析工作面煤层顶底板水压状况、地应力和瓦斯分布状况等，对煤矿突水、冲击地压和瓦斯突出等灾害进行监测预警。在保证人机设备安全的条件下，结合主要设备的运行数据、雷达测距数据和惯性导航三维姿态监测等数据，对采煤机截割曲线和液压支架自动跟机拉架、推溜行程等关键数据进行动态修正。通过惯性导航系统对工作面姿态进行规划找直，执行调直控制。基于激光雷达扫描在两巷的测量及绝对坐标传递，测算推进度和工作面设备整体姿态，规划工作面整体控制算法，生成规划控制指令，实现地质系统与开采系统数据动态互馈。
4 展 望
未来透明工作面构建需要在核心算法、专用引擎、统一工作平台等方面进行进一步的开发。联合反演、空间数据插值、网格构建、局部动态更新、时空关联规则等核心算法是建模工作的基础，研发具有自主可控的算法能够加速数据融合、提升模型构建精度；透明工作面专用二三维一体化引擎有利于透明工作面系统适配开采多源监测数据协议，可提高动态更新速度，加速动态渲染进程；通过工业互联网、5G、人工智能、大数据、云计算、数字孪生等技术赋能，以端-边-云架构来构建统一的透明工作面平台，实现工作面生产的协同数字化管控是智能工作面技术发展方向。
