煤矿智能开采技术在应用过程中，存在设备互联互通能力低、通信线缆维护量大、通信协议不统一、核心控制器件芯片及操作系统国产化率低等问题，数据交互及设备控制是智能采掘的核心技术。

中国煤矿机械装备有限责任公司基于国产化操作系统的硬件适配和应用开发等底层工作，构建了国产化操作系统的采掘工作面成套设备协同控制体系，解决了综采工作面设备间直接数据交互的便捷性和稳定性问题，优化基于国产化操作系统的综采工作面智能控制技术解决方案，研发出基于国产化操作系统矿用工控机、刮板输送机、电液控制装置等采掘成套产品，实现煤机装备自主可控。

全栈自主可控智能化采掘装备与控制系统支撑了煤炭行业成套装备全栈国产化装备的性能提升和技术发展，主要包括4个方面的研究内容。

（1）构建基于物联网体系架构的智能开采新体系，解决基于物联网体系架构的设备主动发现、主动连接、主动交互。

（2）开发基于国产芯片、操作系统的矿用防爆主机、支架电液控制器、刮板机电液监控器等多类新产品。

（3）开发基于国产操作系统的集中控制系统、支架电液控制系统、刮板机电液监控系统等应用软件，建立设备交互标准。

（4）形成基于山西亚美大宁能源有限公司晋城市大宁煤矿（简称大宁煤矿）综采工作面的系统化解决方案，并完成井下工业性试验，各项功能满足井下实际工况要求。

全栈自主可控智能化采掘装备与控制系统构建了基于ARM架构国产化芯片适配矿鸿操作系统的综采工作面物联网体系架构，突破了以集控为中心的传统数据交互方式，解决了单机设备间自主交互的系统结构设计问题，实现了综采工作面成套设备基于统一物联通信协议的互联、互通和协同控制功能。

通过国产操作系统的物联网体系架构，首次构建综采工作面成套装备物联网体系架构，在物联网体系架构基础上，建立统一的矿用设备通信协议的设备模型和交互方式，解决了国产操作系统下采掘各子系统间数据获取、决策控制方式、与集中控制系统交互等难题，基于物联网体系架构系统交互方式如图1所示。

研发了基于国产芯片的PLC、工控机、矿用集控主机及综采工作面刮板输送机、液压支架、采煤机、供电供液系统等成套监控装置，搭载矿鸿操作系统，构建了基于矿鸿操作系统的综采工作面成套控制系统。

在硬件产品研发过程中，芯片选型和操作系统适配方面，采用基于ARM架构下标准指令集和自有指令集混合设计、应用的方式，完成了综采工作面成套装备硬件核心芯片选型、主板设计、接口设计、矿用产品设计工作，解决了高精度用户态时钟问题。依托硬件提供高精度时钟，操作系统实现，高精度计时功能，可准确计算任务执行的时间，为实现精准控制提供了基础保障，解决了资源时空分区问题。

多任务CPU、内存、存储资源使用同系统服务进行隔离，预留关键任务资源，解决了指令交互过程中的关键路径保障问题，优化实时任务指令序列，确保任务处理指令数和IPC通信时延，解决了硬件产品与国产操作系统适配性和应用场景适配性。硬件设备满足国产操作系统的使用要求和相关产品，在不同工况连续工作的使用要求，基于国产化操作系统的硬件产品如图2所示。

基于鸿蒙OS开发环境，开发了刮板输送机等综采工作面成套装备矿鸿应用系统及控制程序，各系统软件在物联网体系架构下实现设备分布式控制，实现数据主动上传、设备独立交互、远近实时感控、协同运行。

在软件产品开发过程中，受国产操作系统生态薄弱等因素影响，各类功能都从零开始独立开发，研发了全新硬件设备和操作系统基础的单机软件监控及集中控制系统，解决了基于物联网体系架构的集中控制系统与各子系统功能融合问题，国产操作系统及开发环境软件界面如图3所示。

构建了基于矿鸿操作系统的工作面有线、WiFi6及5G混合组网，攻克了综采工作面单机设备对网络质量主动识别、网络链路自动切换、移动设备近场连接的技术难题，实现了综采工作面各设备多链路、大带宽、低时延、广连接，为工作面设备数据传输提供保障，工作面有线、WiFi6及5G混合组网方式如图4所示。

矿鸿操作系统管理平台实现了用户和权限管理、设备管理、授权管理、日志管理、安全凭据管理等功能，解决了设备远程在线升级的技术难题，提高了系统、应用软件更新的高效性、便捷性、安全性和可靠性，矿鸿操作系统管理平台界面如图5所示。

研发了基于矿鸿操作系统应用套件的矿用手持移动驾驶舱，实现了物联网体系架构的无感近场连接，具备对多类设备的移动集中监控功能，在任意时间、任意地点，对入网设备进行可视化远程监控，实现一人多岗，移动集控功能，矿鸿操作系统的矿用手持移动驾驶舱如图6所示。

全栈自主可控智能化采掘装备与控制系统已在大宁煤矿进行工程示范及井下工业性试验，在207工作面部署了整套适配国产矿鸿操作系统的成套智能化煤机设备，包括采煤机、液压支架、刮板输送机等设备及控制系统。通过软总线、标准矿鸿数据通信协议等技术，实现煤机设备间互联互通、相互协作，智能化运行，大宁煤矿现场应用界面如图7所示。

全栈自主可控智能化采掘装备与控制系统在大宁煤矿的应用，对基于国产操作系统综采工作面成套装备及智能控制系统的稳定性、可靠性、先进性和普适性，具有典型的示范意义，主要体现为以下3个方面。

（1）在煤机设备全面国产化方面，从底层芯片、操作系统、应用软件、整机设备的国产化，解决了“卡脖子”问题。

（2）在煤机装备数据传输能力方面，从软件和硬件角度都提升了煤机设备的智能化水平，实现了数据传输和协议的标准化，便于设备交互和集中智能控制。

（3）在系统稳定性方面，各类设备及系统在实际应用过程中，满足井下复杂工况环境要求，长期稳定运行，保障安全、高效、智能开采，提升了全栈自主可控智能化采掘装备与控制系统的竞争力和综合水平。

为了更好地服务煤矿行业的安全、数字化、智能化发展，国产操作系统将会向支持更多设备、更广应用、更智能化、更易用方向继续发展和演进，未来发展方向主要包括3个方面。

（1）增强分布式软总线能力，支持200个以上设备的组网和传输能力，支持更简单易用的近场发现能力。

（2）梳理和定义统一的设备模型标准，建立行业统一、通用、可扩展的设备数据采集与传输生态，提升智能化系统的交互能力和感知能力。

（3）在高端智能设备支持端侧人工智能推理框架，满足机器人、AI设备等高端设备应用人工智能技术。