透明工作面要求基于地质地理勘探信息，对开采过程进行全面感知、信息集成与智能化分析控制，建成统一的综采自动化智能控制系统，实时感知井下工作面环境，并根据感知数据进行智能分析决策，最后集成控制综采装备，实现真正的无人化。

近年来，我国许多煤矿企业将综采自动化引入到开采过程中，应用记忆割煤、远程视频监控、自动找直、红外热成像煤岩识别等技术，但由于地理信息的不透明性，开采过程中缺乏指导信息和有效的煤岩识别手段，目前开采仍主要依赖人的经验，难以实现真正的智能化开采。基于这一情况，笔者提出建设透明工作面的设想。

透明工作面要求基于地质地理勘探信息，对开采过程进行全面感知、信息集成与智能化分析控制，建成统一的综采自动化智能控制系统，实时感知井下工作面环境，并根据感知数据进行智能分析决策，最后集成控制综采装备，实现真正的无人化。

数字化矿山的局部体现

透明工作面是数字化矿山在综采工作面开采过程中的局部体现。

在采矿工程、物联网、大数据与人工智能等理论基础上，透明工作面以真实的综采工作面为原型，以绝对地质三维坐标为参考系，以地质勘探、GIS（地理信息系统）、传感器、网络系统、远程控制、三维虚拟仿真等技术为支撑，采集综采工作面的全生命周期数据，监测全开采过程，并进行智能分析决策以及一体化集成自适应控制的技术系统。

在构建地质模型时，透明工作面通过应用地质雷达、电磁波CT等新型精细工程物探传感器成果和巷道激光扫描数据等方式，以煤岩识别等数据实时修正模型，融合设备位置姿态和环境状态等实时数据，形成动态透明工作面。

透明工作面有三方面重要内容。一是工作面的地理位置与地质信息。二是实时、动态地感知工作面环境、装备与人员状态。三是融合多源信息，利用三维物理技术重现生产过程。

透明工作面的四个层次

根据相关科研理论，综合物联网、大数据与人工智能、虚拟现实等新兴技术，按照工作面开采生产的特殊需求，笔者从感知、传输、信息与智能应用四个层次对透明工作面系统的全域模型进行了整体设计。

感知层的目标是对工作面环境、综采装备与人员状态进行全面感知，其任务是数据采集。数据采集的目的是为智能开采的分析与决策提供依据，包括地质初探、随采地质探测、三维激光扫描、视频图像捕捉、无线定位、惯性导航以及装备工况传感等技术。目前综采自动化系统中的最大问题是无法对环境与装备自身进行有效及时的感知，即在现有综采自动化系统中缺乏能适应工作面动态开采过程与井下多电磁干扰环境的有效且可靠的感知手段。

传输层要将感知到的关于环境、综采装备与人员状态的数据进行快速、高可靠性与高安全性的传输。传输层主要涉及井下网络传输技术，即井下综采工作面的主干网，主要包括千兆工业以太网、煤矿井下移动通信、矿山6LowPAN、异构网络融合及M2M等多种通信技术手段。

信息层涉及信息的获取、存储、分类、预处理等一系列环节，是将感知层获取的数据升华为可直接供智能应用层分析利用信息的关键层次。首先，要实现综采工作面各种环境、装备、人员数据的高度集成，通过系统集成技术打通数据通路。在数据通路顺畅的前提下，利用数据仓库技术完成数据的集中存储。其次，在数据仓库中根据工作面状态进行全面数据分类，并在原始数据上进行去重、校验与清洗等预处理操作，完成由数据到信息的升华，为工作面状态的三维重构提供信息基础。再其次，在统一的信息表达基础上，构建公共基础服务平台，为智能应用层的各种智能化的应用开放统一的信息接口。

智能应用层是核心层次，是基于前三个层次的顶层建筑，决定了开采的智能化程度。该层次主要分为工作面虚拟再现技术与机器学习自适应开采两部分。工作面虚拟再现部分要汇总包括地质、激光扫描三维点云、装备位置姿态、视频等多种描述工作面状态的信息，通过机器视觉、三维点云识别等技术手段进一步挖掘信息，表述工作面状态。机器学习自适应开采部分主要为以虚拟再现的工作面为基础，通过人工智能机器进行分析，生成自适应的智能化开采指令，指导生产并自动控制综采装备。

透明工作面全域模型中，感知层通过地质勘探与各种传感器，准确、全面且实时地获取井下综采工作面的环境、装备与人员状态的信息；传输层准确、快速并安全地将信息进行传输；信息层对所有数据进行汇总、分析和融合，完成从数据到信息的升华；最终层基于所感知的信息，在计算机虚拟空间实时重构一个与井下工作面一致的虚拟工作面，利用机器视觉与人工智能技术展开智能分析并给出自动开采指令，最终与综采装备控制系统进行集成以控制开采过程，形成感知、传输、分析决策、控制的闭环。

需要七大关键技术做支撑

透明工作面的全域模型需要三维激光扫描技术、地质勘探技术、惯性导航技术、生产工况传感器技术、千兆工业以太网技术、多源信息融合技术和基于虚拟现实的工作面重现技术作支撑。

一是三维激光扫描技术。近年来，激光扫描技术在地面测绘、无人驾驶、三维建模等领域发挥着重要作用。而在煤炭开采领域，激光扫描技术应用尚处于起步阶段，目前主要应用在井下采空区测量上。在透明工作面，激光扫描技术主要用于开采前与开采过程中工作面与巷道轮廓三维坐标数据的获取。目前，制约激光扫描技术应用的因素主要为煤尘干扰和缺乏有效的定位技术。

二是地质勘探技术。地质勘探是通过各种方法手段对地质进行勘察、探测以确定地质结构、断层、矿物赋存等信息。虽然钻探、地震勘探、瞬变电磁法、地质雷达等地质勘探技术多种多样，但每种手段或多或少都存在缺陷，于是综合地质勘探技术便应运而生。综合地质勘探方法是综合多种物理勘探、地面测绘及钻探技术的优点，将其有机融合形成的综合性勘探技术。该方法能够充分发挥各种探勘技术的长处，弥补各自的不足，正日渐成为主流勘探技术。

三是惯性导航技术。惯性导航技术主要通过测量加速度和陀螺仪的角运动，根据牛顿力学原理计算出载体运动的速度和位置。无论是多高精度的惯性元器件，惯性导航系统长时间运行必将导致客观的累积误差。为弥补该缺陷，通常需要组合装备多种导航系统，以惯性导航作为主要定位部件，辅以其他种类的导航部件，进行误差修正与纠偏。

四是生产工况传感器技术。煤矿井下环境复杂，存在各种干扰源，常规传感器的测量结果误差较大。近年来出现的新型光纤传感器和MEMS传感器弥补了常规传感器的不足。现在很多大型煤矿逐渐采用“一矿一面”的开采方式，一旦设备出现故障，可能造成全矿停产。对于透明工作面来说，设备工况传感器担负着实时、准确反映设备运行状态，提供可靠数据依据的关键职责，而基于海量设备工况传感历史数据的挖掘与分析，对设备进行故障诊断及预警起着至关重要的作用。因此，设备传感器在工作面开采智能化中发挥着重要作用。

五是千兆工业以太网技术。鉴于国际现场总线技术无法满足人们的期望目标，技术领域将注意力逐步转移至以太网及TCP/IP技术在自动化行业中的应用，并逐步发展成为趋势。正是由于以太网适用的广泛性及其在技术上的领先性，使其不仅在办公自动化领域形成了垄断性优势，而且在工业领域中也具有其他网络技术无法比拟的优越性。

六是多源信息融合技术。信息融合是一个过程，它可以让用户实现将多个数据源统一到单一视图当中。在透明工作面中，数据融合主要是根据由信息层所整理分类的信息，解决数据冲突、进行数据合并后，将数据综合应用到界定与现实综采工作面状态最接近的虚拟数字化工作面状态的工作，为工作面的三维重构提供可靠的信息依据。

七是基于虚拟现实的工作面重现技术。在透明工作面中，首先要根据激光扫描所获取的工作面环境三维轮廓，利用动态三维建模技术，建立工作面环境的动态三维模型。在此基础上，通过融合高清热红外视频图像信息，建立着色的工作面环境动态模型。此刻的工作面环境模型仅具备轮廓与纹理信息，还需要引入开采前初探与随采阶段物探测得出的概要与详细的地质信息，以实现空间坐标、轮廓、视觉信息与地质构造的融合统一，达到“透明”的目的。

目前，制约透明工作面建设的瓶颈是感知层的传感器技术，尤其是在地质信息获取上，主流可靠的方法仍停留在钻孔数据分析上。而工作面开采过程中随采地质数据的采集分析技术、无GPS辅助的井下定位技术等仍需要探索，各种装备工况采集传感器的可靠性仍然有待提高。

（第一作者单位为国家能源集团神东煤炭集团有限责任公司、第二作者单位为北京天地玛珂电液控制系统有限公司）