重大進展特刊┃中國中煤：全棧自主可控智能化采掘裝備與控制系統(tǒng)研發(fā)及應(yīng)用

重大進展特刊

為宣傳推廣煤礦智能化建設(shè)先進經(jīng)驗和創(chuàng)新成果，發(fā)揮典型示范引領(lǐng)作用，《智能礦山》于2025年第2期策劃出版了《2024年煤礦智能化重大進展成果特刊》，刊登代表新時代煤礦人創(chuàng)造性實踐和智慧結(jié)晶的11項智能化建設(shè)成果，以饗讀者。

文章來源：《智能礦山》2025年第2期“2024年煤礦智能化重大進展成果特刊”

第一作者：孫鵬亮，教授級高級工程師，現(xiàn)任中煤裝備事業(yè)部（中煤裝備研究院）智能開采技術(shù)研發(fā)經(jīng)理，主要從事煤礦智能化成套設(shè)備及控制技術(shù)研發(fā)等相關(guān)工作。E-mail：sunpengl@chinacoal.com

作者單位：中國煤礦機械裝備有限責(zé)任公司

引用格式：孫鵬亮，宋振鐸，馬開德，等.全棧自主可控智能化采掘裝備與控制系統(tǒng)研發(fā)及應(yīng)用[J].智能礦山，2025，6(2)：18-22.

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煤礦智能開采技術(shù)在應(yīng)用過程中，存在設(shè)備互聯(lián)互通能力低、通信線纜維護量大、通信協(xié)議不統(tǒng)一、核心控制器件芯片及操作系統(tǒng)國產(chǎn)化率低等問題，數(shù)據(jù)交互及設(shè)備控制是智能采掘的核心技術(shù)。

中國煤礦機械裝備有限責(zé)任公司基于國產(chǎn)化操作系統(tǒng)的硬件適配和應(yīng)用開發(fā)等底層工作，構(gòu)建了國產(chǎn)化操作系統(tǒng)的采掘工作面成套設(shè)備協(xié)同控制體系，解決了綜采工作面設(shè)備間直接數(shù)據(jù)交互的便捷性和穩(wěn)定性問題，優(yōu)化基于國產(chǎn)化操作系統(tǒng)的綜采工作面智能控制技術(shù)解決方案，研發(fā)出基于國產(chǎn)化操作系統(tǒng)礦用工控機、刮板輸送機、電液控制裝置等采掘成套產(chǎn)品，實現(xiàn)煤機裝備自主可控。

主要研究內(nèi)容

全棧自主可控智能化采掘裝備與控制系統(tǒng)支撐了煤炭行業(yè)成套裝備全棧國產(chǎn)化裝備的性能提升和技術(shù)發(fā)展，主要包括4個方面的研究內(nèi)容。

（1）構(gòu)建基于物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)的智能開采新體系，解決基于物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)的設(shè)備主動發(fā)現(xiàn)、主動連接、主動交互。

（2）開發(fā)基于國產(chǎn)芯片、操作系統(tǒng)的礦用防爆主機、支架電液控制器、刮板機電液監(jiān)控器等多類新產(chǎn)品。

（3）開發(fā)基于國產(chǎn)操作系統(tǒng)的集中控制系統(tǒng)、支架電液控制系統(tǒng)、刮板機電液監(jiān)控系統(tǒng)等應(yīng)用軟件，建立設(shè)備交互標準。

（4）形成基于山西亞美大寧能源有限公司晉城市大寧煤礦（簡稱大寧煤礦）綜采工作面的系統(tǒng)化解決方案，并完成井下工業(yè)性試驗，各項功能滿足井下實際工況要求。

關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新

2.1 構(gòu)建綜采工作面成套裝備物聯(lián)網(wǎng)體系

全棧自主可控智能化采掘裝備與控制系統(tǒng)構(gòu)建了基于ARM架構(gòu)國產(chǎn)化芯片適配礦鴻操作系統(tǒng)的綜采工作面物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)，突破了以集控為中心的傳統(tǒng)數(shù)據(jù)交互方式，解決了單機設(shè)備間自主交互的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計問題，實現(xiàn)了綜采工作面成套設(shè)備基于統(tǒng)一物聯(lián)通信協(xié)議的互聯(lián)、互通和協(xié)同控制功能。

通過國產(chǎn)操作系統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)，首次構(gòu)建綜采工作面成套裝備物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)，在物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)基礎(chǔ)上，建立統(tǒng)一的礦用設(shè)備通信協(xié)議的設(shè)備模型和交互方式，解決了國產(chǎn)操作系統(tǒng)下采掘各子系統(tǒng)間數(shù)據(jù)獲取、決策控制方式、與集中控制系統(tǒng)交互等難題，基于物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)系統(tǒng)交互方式如圖1所示。

圖1 基于物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)系統(tǒng)交互方式

2.2 研發(fā)出國產(chǎn)操作系統(tǒng)的系列硬件產(chǎn)品

研發(fā)了基于國產(chǎn)芯片的PLC、工控機、礦用集控主機及綜采工作面刮板輸送機、液壓支架、采煤機、供電供液系統(tǒng)等成套監(jiān)控裝置，搭載礦鴻操作系統(tǒng)，構(gòu)建了基于礦鴻操作系統(tǒng)的綜采工作面成套控制系統(tǒng)。

在硬件產(chǎn)品研發(fā)過程中，芯片選型和操作系統(tǒng)適配方面，采用基于ARM架構(gòu)下標準指令集和自有指令集混合設(shè)計、應(yīng)用的方式，完成了綜采工作面成套裝備硬件核心芯片選型、主板設(shè)計、接口設(shè)計、礦用產(chǎn)品設(shè)計工作，解決了高精度用戶態(tài)時鐘問題。依托硬件提供高精度時鐘，操作系統(tǒng)實現(xiàn)，高精度計時功能，可準確計算任務(wù)執(zhí)行的時間，為實現(xiàn)精準控制提供了基礎(chǔ)保障，解決了資源時空分區(qū)問題。

多任務(wù)CPU、內(nèi)存、存儲資源使用同系統(tǒng)服務(wù)進行隔離，預(yù)留關(guān)鍵任務(wù)資源，解決了指令交互過程中的關(guān)鍵路徑保障問題，優(yōu)化實時任務(wù)指令序列，確保任務(wù)處理指令數(shù)和IPC通信時延，解決了硬件產(chǎn)品與國產(chǎn)操作系統(tǒng)適配性和應(yīng)用場景適配性。硬件設(shè)備滿足國產(chǎn)操作系統(tǒng)的使用要求和相關(guān)產(chǎn)品，在不同工況連續(xù)工作的使用要求，基于國產(chǎn)化操作系統(tǒng)的硬件產(chǎn)品如圖2所示。

圖2 基于國產(chǎn)化操作系統(tǒng)的硬件產(chǎn)品

2.3 研制出綜采工作面成套裝備礦鴻應(yīng)用系統(tǒng)

基于鴻蒙OS開發(fā)環(huán)境，開發(fā)了刮板輸送機等綜采工作面成套裝備礦鴻應(yīng)用系統(tǒng)及控制程序，各系統(tǒng)軟件在物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)下實現(xiàn)設(shè)備分布式控制，實現(xiàn)數(shù)據(jù)主動上傳、設(shè)備獨立交互、遠近實時感控、協(xié)同運行。

在軟件產(chǎn)品開發(fā)過程中，受國產(chǎn)操作系統(tǒng)生態(tài)薄弱等因素影響，各類功能都從零開始獨立開發(fā)，研發(fā)了全新硬件設(shè)備和操作系統(tǒng)基礎(chǔ)的單機軟件監(jiān)控及集中控制系統(tǒng)，解決了基于物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)的集中控制系統(tǒng)與各子系統(tǒng)功能融合問題，國產(chǎn)操作系統(tǒng)及開發(fā)環(huán)境軟件界面如圖3所示。

圖3 國產(chǎn)操作系統(tǒng)及開發(fā)環(huán)境軟件界面

2.4 構(gòu)建了工作面有線、WiFi6及5G混合組網(wǎng)

構(gòu)建了基于礦鴻操作系統(tǒng)的工作面有線、WiFi6及5G混合組網(wǎng)，攻克了綜采工作面單機設(shè)備對網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量主動識別、網(wǎng)絡(luò)鏈路自動切換、移動設(shè)備近場連接的技術(shù)難題，實現(xiàn)了綜采工作面各設(shè)備多鏈路、大帶寬、低時延、廣連接，為工作面設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸提供保障，工作面有線、WiFi6及5G混合組網(wǎng)方式如圖4所示。

圖4 工作面有線、WiFi6及5G混合組網(wǎng)方式

2.5 開發(fā)了礦鴻操作系統(tǒng)管理平臺

礦鴻操作系統(tǒng)管理平臺實現(xiàn)了用戶和權(quán)限管理、設(shè)備管理、授權(quán)管理、日志管理、安全憑據(jù)管理等功能，解決了設(shè)備遠程在線升級的技術(shù)難題，提高了系統(tǒng)、應(yīng)用軟件更新的高效性、便捷性、安全性和可靠性，礦鴻操作系統(tǒng)管理平臺界面如圖5所示。

圖5 礦鴻操作系統(tǒng)管理平臺界面

2.6 研發(fā)了礦鴻手持移動駕駛艙

研發(fā)了基于礦鴻操作系統(tǒng)應(yīng)用套件的礦用手持移動駕駛艙，實現(xiàn)了物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)的無感近場連接，具備對多類設(shè)備的移動集中監(jiān)控功能，在任意時間、任意地點，對入網(wǎng)設(shè)備進行可視化遠程監(jiān)控，實現(xiàn)一人多崗，移動集控功能，礦鴻操作系統(tǒng)的礦用手持移動駕駛艙如圖6所示。

圖6 礦鴻操作系統(tǒng)的礦用手持移動駕駛艙

應(yīng)用效果

全棧自主可控智能化采掘裝備與控制系統(tǒng)已在大寧煤礦進行工程示范及井下工業(yè)性試驗，在207工作面部署了整套適配國產(chǎn)礦鴻操作系統(tǒng)的成套智能化煤機設(shè)備，包括采煤機、液壓支架、刮板輸送機等設(shè)備及控制系統(tǒng)。通過軟總線、標準礦鴻數(shù)據(jù)通信協(xié)議等技術(shù)，實現(xiàn)煤機設(shè)備間互聯(lián)互通、相互協(xié)作，智能化運行，大寧煤礦現(xiàn)場應(yīng)用界面如圖7所示。

圖7 大寧煤礦現(xiàn)場應(yīng)用界面

全棧自主可控智能化采掘裝備與控制系統(tǒng)在大寧煤礦的應(yīng)用，對基于國產(chǎn)操作系統(tǒng)綜采工作面成套裝備及智能控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性、先進性和普適性，具有典型的示范意義，主要體現(xiàn)為以下3個方面。

（1）在煤機設(shè)備全面國產(chǎn)化方面，從底層芯片、操作系統(tǒng)、應(yīng)用軟件、整機設(shè)備的國產(chǎn)化，解決了“卡脖子”問題。

（2）在煤機裝備數(shù)據(jù)傳輸能力方面，從軟件和硬件角度都提升了煤機設(shè)備的智能化水平，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)傳輸和協(xié)議的標準化，便于設(shè)備交互和集中智能控制。

（3）在系統(tǒng)穩(wěn)定性方面，各類設(shè)備及系統(tǒng)在實際應(yīng)用過程中，滿足井下復(fù)雜工況環(huán)境要求，長期穩(wěn)定運行，保障安全、高效、智能開采，提升了全棧自主可控智能化采掘裝備與控制系統(tǒng)的競爭力和綜合水平。

展望

為了更好地服務(wù)煤礦行業(yè)的安全、數(shù)字化、智能化發(fā)展，國產(chǎn)操作系統(tǒng)將會向支持更多設(shè)備、更廣應(yīng)用、更智能化、更易用方向繼續(xù)發(fā)展和演進，未來發(fā)展方向主要包括3個方面。

（1）增強分布式軟總線能力，支持200個以上設(shè)備的組網(wǎng)和傳輸能力，支持更簡單易用的近場發(fā)現(xiàn)能力。

（2）梳理和定義統(tǒng)一的設(shè)備模型標準，建立行業(yè)統(tǒng)一、通用、可擴展的設(shè)備數(shù)據(jù)采集與傳輸生態(tài)，提升智能化系統(tǒng)的交互能力和感知能力。

（3）在高端智能設(shè)備支持端側(cè)人工智能推理框架，滿足機器人、AI設(shè)備等高端設(shè)備應(yīng)用人工智能技術(shù)。

“煤礦智能化重大進展發(fā)布會”自 2021年開始，至今已舉辦4次，發(fā)布會吸引了眾多煤礦智能化建設(shè)領(lǐng)域的專家及科研、工程技術(shù)人員，成為展示煤礦智能化建設(shè)成果，交流煤礦智能化科技成果的盛會。

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2022年煤礦智能化重大進展發(fā)布會

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END

編輯丨李莎

審核丨趙瑞

煤科總院出版?zhèn)髅郊瘓F成立于2015年，擁有科技期刊21種。其中，SCI收錄1種，Ei收錄5種、CSCD收錄6種、Scopus收錄7種、中文核心期刊9種、中國科技核心期刊11種、中國科技期刊卓越行動計劃入選期刊4種，是煤炭行業(yè)最重要的科技窗口與學(xué)術(shù)交流陣地，也是行業(yè)最大最權(quán)威的期刊集群。

《智能礦山》

Journal of Intelligent Mine

月刊CN 10-1709/TN，ISSN 2096-9139，聚焦礦山智能化領(lǐng)域產(chǎn)學(xué)研用新進展的綜合性技術(shù)刊物。

主編：王國法院士

投稿網(wǎng)址：www.chinamai.org.cn（期刊中心-作者投稿）

聯(lián)系人：李編輯 010-87986441

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