你可聽(tīng)過(guò)透明工作面

透明工作面要求基于地質(zhì)地理勘探信息，對(duì)開(kāi)采過(guò)程進(jìn)行全面感知、信息集成與智能化分析控制，建成統(tǒng)一的綜采自動(dòng)化智能控制系統(tǒng)，實(shí)時(shí)感知井下工作面環(huán)境，并根據(jù)感知數(shù)據(jù)進(jìn)行智能分析決策，最后集成控制綜采裝備，實(shí)現(xiàn)真正的無(wú)人化。

近年來(lái)，我國(guó)許多煤礦企業(yè)將綜采自動(dòng)化引入到開(kāi)采過(guò)程中，應(yīng)用記憶割煤、遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控、自動(dòng)找直、紅外熱成像煤巖識(shí)別等技術(shù)，但由于地理信息的不透明性，開(kāi)采過(guò)程中缺乏指導(dǎo)信息和有效的煤巖識(shí)別手段，目前開(kāi)采仍主要依賴人的經(jīng)驗(yàn)，難以實(shí)現(xiàn)真正的智能化開(kāi)采。基于這一情況，筆者提出建設(shè)透明工作面的設(shè)想。

透明工作面要求基于地質(zhì)地理勘探信息，對(duì)開(kāi)采過(guò)程進(jìn)行全面感知、信息集成與智能化分析控制，建成統(tǒng)一的綜采自動(dòng)化智能控制系統(tǒng)，實(shí)時(shí)感知井下工作面環(huán)境，并根據(jù)感知數(shù)據(jù)進(jìn)行智能分析決策，最后集成控制綜采裝備，實(shí)現(xiàn)真正的無(wú)人化。

數(shù)字化礦山的局部體現(xiàn)

透明工作面是數(shù)字化礦山在綜采工作面開(kāi)采過(guò)程中的局部體現(xiàn)。

在采礦工程、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)與人工智能等理論基礎(chǔ)上，透明工作面以真實(shí)的綜采工作面為原型，以絕對(duì)地質(zhì)三維坐標(biāo)為參考系，以地質(zhì)勘探、GIS(地理信息系統(tǒng))、傳感器、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、遠(yuǎn)程控制、三維虛擬仿真等技術(shù)為支撐，采集綜采工作面的全生命周期數(shù)據(jù)，監(jiān)測(cè)全開(kāi)采過(guò)程，并進(jìn)行智能分析決策以及一體化集成自適應(yīng)控制的技術(shù)系統(tǒng)。

在構(gòu)建地質(zhì)模型時(shí)，透明工作面通過(guò)應(yīng)用地質(zhì)雷達(dá)、電磁波CT等新型精細(xì)工程物探傳感器成果和巷道激光掃描數(shù)據(jù)等方式，以煤巖識(shí)別等數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)修正模型，融合設(shè)備位置姿態(tài)和環(huán)境狀態(tài)等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，形成動(dòng)態(tài)透明工作面。

透明工作面有三方面重要內(nèi)容。一是工作面的地理位置與地質(zhì)信息。二是實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)地感知工作面環(huán)境、裝備與人員狀態(tài)。三是融合多源信息，利用三維物理技術(shù)重現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程。

透明工作面的四個(gè)層次

根據(jù)相關(guān)科研理論，綜合物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)與人工智能、虛擬現(xiàn)實(shí)等新興技術(shù)，按照工作面開(kāi)采生產(chǎn)的特殊需求，筆者從感知、傳輸、信息與智能應(yīng)用四個(gè)層次對(duì)透明工作面系統(tǒng)的全域模型進(jìn)行了整體設(shè)計(jì)。

感知層的目標(biāo)是對(duì)工作面環(huán)境、綜采裝備與人員狀態(tài)進(jìn)行全面感知，其任務(wù)是數(shù)據(jù)采集。數(shù)據(jù)采集的目的是為智能開(kāi)采的分析與決策提供依據(jù)，包括地質(zhì)初探、隨采地質(zhì)探測(cè)、三維激光掃描、視頻圖像捕捉、無(wú)線定位、慣性導(dǎo)航以及裝備工況傳感等技術(shù)。目前綜采自動(dòng)化系統(tǒng)中的最大問(wèn)題是無(wú)法對(duì)環(huán)境與裝備自身進(jìn)行有效及時(shí)的感知，即在現(xiàn)有綜采自動(dòng)化系統(tǒng)中缺乏能適應(yīng)工作面動(dòng)態(tài)開(kāi)采過(guò)程與井下多電磁干擾環(huán)境的有效且可靠的感知手段。

傳輸層要將感知到的關(guān)于環(huán)境、綜采裝備與人員狀態(tài)的數(shù)據(jù)進(jìn)行快速、高可靠性與高安全性的傳輸。傳輸層主要涉及井下網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)，即井下綜采工作面的主干網(wǎng)，主要包括千兆工業(yè)以太網(wǎng)、煤礦井下移動(dòng)通信、礦山6LowPAN、異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合及M2M等多種通信技術(shù)手段。

信息層涉及信息的獲取、存儲(chǔ)、分類(lèi)、預(yù)處理等一系列環(huán)節(jié)，是將感知層獲取的數(shù)據(jù)升華為可直接供智能應(yīng)用層分析利用信息的關(guān)鍵層次。首先，要實(shí)現(xiàn)綜采工作面各種環(huán)境、裝備、人員數(shù)據(jù)的高度集成，通過(guò)系統(tǒng)集成技術(shù)打通數(shù)據(jù)通路。在數(shù)據(jù)通路順暢的前提下，利用數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)技術(shù)完成數(shù)據(jù)的集中存儲(chǔ)。其次，在數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)中根據(jù)工作面狀態(tài)進(jìn)行全面數(shù)據(jù)分類(lèi)，并在原始數(shù)據(jù)上進(jìn)行去重、校驗(yàn)與清洗等預(yù)處理操作，完成由數(shù)據(jù)到信息的升華，為工作面狀態(tài)的三維重構(gòu)提供信息基礎(chǔ)。再其次，在統(tǒng)一的信息表達(dá)基礎(chǔ)上，構(gòu)建公共基礎(chǔ)服務(wù)平臺(tái)，為智能應(yīng)用層的各種智能化的應(yīng)用開(kāi)放統(tǒng)一的信息接口。

智能應(yīng)用層是核心層次，是基于前三個(gè)層次的頂層建筑，決定了開(kāi)采的智能化程度。該層次主要分為工作面虛擬再現(xiàn)技術(shù)與機(jī)器學(xué)習(xí)自適應(yīng)開(kāi)采兩部分。工作面虛擬再現(xiàn)部分要匯總包括地質(zhì)、激光掃描三維點(diǎn)云、裝備位置姿態(tài)、視頻等多種描述工作面狀態(tài)的信息，通過(guò)機(jī)器視覺(jué)、三維點(diǎn)云識(shí)別等技術(shù)手段進(jìn)一步挖掘信息，表述工作面狀態(tài)。機(jī)器學(xué)習(xí)自適應(yīng)開(kāi)采部分主要為以虛擬再現(xiàn)的工作面為基礎(chǔ)，通過(guò)人工智能機(jī)器進(jìn)行分析，生成自適應(yīng)的智能化開(kāi)采指令，指導(dǎo)生產(chǎn)并自動(dòng)控制綜采裝備。

透明工作面全域模型中，感知層通過(guò)地質(zhì)勘探與各種傳感器，準(zhǔn)確、全面且實(shí)時(shí)地獲取井下綜采工作面的環(huán)境、裝備與人員狀態(tài)的信息;傳輸層準(zhǔn)確、快速并安全地將信息進(jìn)行傳輸;信息層對(duì)所有數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總、分析和融合，完成從數(shù)據(jù)到信息的升華;最終層基于所感知的信息，在計(jì)算機(jī)虛擬空間實(shí)時(shí)重構(gòu)一個(gè)與井下工作面一致的虛擬工作面，利用機(jī)器視覺(jué)與人工智能技術(shù)展開(kāi)智能分析并給出自動(dòng)開(kāi)采指令，最終與綜采裝備控制系統(tǒng)進(jìn)行集成以控制開(kāi)采過(guò)程，形成感知、傳輸、分析決策、控制的閉環(huán)。

需要七大關(guān)鍵技術(shù)做支撐

透明工作面的全域模型需要三維激光掃描技術(shù)、地質(zhì)勘探技術(shù)、慣性導(dǎo)航技術(shù)、生產(chǎn)工況傳感器技術(shù)、千兆工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)、多源信息融合技術(shù)和基于虛擬現(xiàn)實(shí)的工作面重現(xiàn)技術(shù)作支撐。

一是三維激光掃描技術(shù)。近年來(lái)，激光掃描技術(shù)在地面測(cè)繪、無(wú)人駕駛、三維建模等領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。而在煤炭開(kāi)采領(lǐng)域，激光掃描技術(shù)應(yīng)用尚處于起步階段，目前主要應(yīng)用在井下采空區(qū)測(cè)量上。在透明工作面，激光掃描技術(shù)主要用于開(kāi)采前與開(kāi)采過(guò)程中工作面與巷道輪廓三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)的獲取。目前，制約激光掃描技術(shù)應(yīng)用的因素主要為煤塵干擾和缺乏有效的定位技術(shù)。

二是地質(zhì)勘探技術(shù)。地質(zhì)勘探是通過(guò)各種方法手段對(duì)地質(zhì)進(jìn)行勘察、探測(cè)以確定地質(zhì)結(jié)構(gòu)、斷層、礦物賦存等信息。雖然鉆探、地震勘探、瞬變電磁法、地質(zhì)雷達(dá)等地質(zhì)勘探技術(shù)多種多樣，但每種手段或多或少都存在缺陷，于是綜合地質(zhì)勘探技術(shù)便應(yīng)運(yùn)而生。綜合地質(zhì)勘探方法是綜合多種物理勘探、地面測(cè)繪及鉆探技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，將其有機(jī)融合形成的綜合性勘探技術(shù)。該方法能夠充分發(fā)揮各種探勘技術(shù)的長(zhǎng)處，彌補(bǔ)各自的不足，正日漸成為主流勘探技術(shù)。

三是慣性導(dǎo)航技術(shù)。慣性導(dǎo)航技術(shù)主要通過(guò)測(cè)量加速度和陀螺儀的角運(yùn)動(dòng)，根據(jù)牛頓力學(xué)原理計(jì)算出載體運(yùn)動(dòng)的速度和位置。無(wú)論是多高精度的慣性元器件，慣性導(dǎo)航系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行必將導(dǎo)致客觀的累積誤差。為彌補(bǔ)該缺陷，通常需要組合裝備多種導(dǎo)航系統(tǒng)，以慣性導(dǎo)航作為主要定位部件，輔以其他種類(lèi)的導(dǎo)航部件，進(jìn)行誤差修正與糾偏。

四是生產(chǎn)工況傳感器技術(shù)。煤礦井下環(huán)境復(fù)雜，存在各種干擾源，常規(guī)傳感器的測(cè)量結(jié)果誤差較大。近年來(lái)出現(xiàn)的新型光纖傳感器和MEMS傳感器彌補(bǔ)了常規(guī)傳感器的不足?，F(xiàn)在很多大型煤礦逐漸采用“一礦一面”的開(kāi)采方式，一旦設(shè)備出現(xiàn)故障，可能造成全礦停產(chǎn)。對(duì)于透明工作面來(lái)說(shuō)，設(shè)備工況傳感器擔(dān)負(fù)著實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確反映設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，提供可靠數(shù)據(jù)依據(jù)的關(guān)鍵職責(zé)，而基于海量設(shè)備工況傳感歷史數(shù)據(jù)的挖掘與分析，對(duì)設(shè)備進(jìn)行故障診斷及預(yù)警起著至關(guān)重要的作用。因此，設(shè)備傳感器在工作面開(kāi)采智能化中發(fā)揮著重要作用。

五是千兆工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)。鑒于國(guó)際現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)無(wú)法滿足人們的期望目標(biāo)，技術(shù)領(lǐng)域?qū)⒆⒁饬χ鸩睫D(zhuǎn)移至以太網(wǎng)及TCP/IP技術(shù)在自動(dòng)化行業(yè)中的應(yīng)用，并逐步發(fā)展成為趨勢(shì)。正是由于以太網(wǎng)適用的廣泛性及其在技術(shù)上的領(lǐng)先性，使其不僅在辦公自動(dòng)化領(lǐng)域形成了壟斷性優(yōu)勢(shì)，而且在工業(yè)領(lǐng)域中也具有其他網(wǎng)絡(luò)技術(shù)無(wú)法比擬的優(yōu)越性。

六是多源信息融合技術(shù)。信息融合是一個(gè)過(guò)程，它可以讓用戶實(shí)現(xiàn)將多個(gè)數(shù)據(jù)源統(tǒng)一到單一視圖當(dāng)中。在透明工作面中，數(shù)據(jù)融合主要是根據(jù)由信息層所整理分類(lèi)的信息，解決數(shù)據(jù)沖突、進(jìn)行數(shù)據(jù)合并后，將數(shù)據(jù)綜合應(yīng)用到界定與現(xiàn)實(shí)綜采工作面狀態(tài)最接近的虛擬數(shù)字化工作面狀態(tài)的工作，為工作面的三維重構(gòu)提供可靠的信息依據(jù)。

七是基于虛擬現(xiàn)實(shí)的工作面重現(xiàn)技術(shù)。在透明工作面中，首先要根據(jù)激光掃描所獲取的工作面環(huán)境三維輪廓，利用動(dòng)態(tài)三維建模技術(shù)，建立工作面環(huán)境的動(dòng)態(tài)三維模型。在此基礎(chǔ)上，通過(guò)融合高清熱紅外視頻圖像信息，建立著色的工作面環(huán)境動(dòng)態(tài)模型。此刻的工作面環(huán)境模型僅具備輪廓與紋理信息，還需要引入開(kāi)采前初探與隨采階段物探測(cè)得出的概要與詳細(xì)的地質(zhì)信息，以實(shí)現(xiàn)空間坐標(biāo)、輪廓、視覺(jué)信息與地質(zhì)構(gòu)造的融合統(tǒng)一，達(dá)到“透明”的目的。

目前，制約透明工作面建設(shè)的瓶頸是感知層的傳感器技術(shù)，尤其是在地質(zhì)信息獲取上，主流可靠的方法仍停留在鉆孔數(shù)據(jù)分析上。而工作面開(kāi)采過(guò)程中隨采地質(zhì)數(shù)據(jù)的采集分析技術(shù)、無(wú)GPS輔助的井下定位技術(shù)等仍需要探索，各種裝備工況采集傳感器的可靠性仍然有待提高。

(第一作者單位為國(guó)家能源集團(tuán)神東煤炭集團(tuán)有限責(zé)任公司、第二作者單位為北京天地瑪珂電液控制系統(tǒng)有限公司)