天玛智控林恩强：矿鸿系统与综采液压支架控制系统融合架构研发

2025年07月22日 15:31 智能矿山杂志责编：戚金荣作者：智能矿山杂志

矿山智能化精准感知技术专题

针对煤炭行业智能化转型的需求，深入研究了矿鸿操作系统与综采液压支架控制系统的融合架构。通过剖析矿鸿操作系统的分布式架构、软总线技术及统一数据标准等核心特性，采用微内核设计提升稳定性，利用软总线实现设备毫秒级通信与90%以上的多厂商设备适配，借助统一数据协议（如MDTP协议）打破信息壁垒，分析了矿鸿操作系统在智能协同、设备互联和数据治理方面的优势。结合神东矿区等典型实践案例，验证了融合架构在提升生产效率和安全性能方面的成效；提出了矿鸿操作系统与综采液压支架控制系统的优化架构设计方案，融合架构显著提升了生产效率与安全性，但存在设备适配多样性不足、应用生态待拓展等挑战。

文章来源：《智能矿山》2025年第6期“矿山智能化精准感知技术"专题”

作者简介：林恩强，现任北京天玛智控科技股份有限公司高级技术专家，主要从事煤矿智能开采装备技术研究工作。E-mail：lineq@tdmarco.com

作者单位：北京天玛智控科技股份有限公司

引用格式：林恩强.矿鸿系统与综采液压支架控制系统融合架构研发[J].智能矿山，2025，6(4)：39-46.

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当前，国际上关于工业操作系统的研究主要集中在物联网平台和工业自动化领域。例如，西门子的MindSphere平台，通过云技术实现设备互联互通和数据分析，为工业自动化提供了强大的技术支持。然而，此类平台多面向通用工业场景，缺乏针对煤矿行业的定制化设计。相比之下，矿鸿操作系统专为煤矿场景定制，更好地满足煤矿智能化开采需求。

在现有研究中，多位学者深入分析了矿鸿操作系统在综采工作面的应用，有效解决了设备间数据接口和协议不统一的问题，实现了设备互联和信息互通，提升了薄煤层开采率和智能化水平。在综采设备上搭载矿鸿操作系统，实现了对设备位置信息的精准获取和集中存储，展示了矿鸿操作系统在综采工作面应用的可行性和优势，为后续研究奠定了基础。

笔者综合运用多种研究方法，确保研究的科学性、全面性和深入性。采用文献研究法，广泛查阅国内外关于矿鸿操作系统、综采液压支架控制系统以及煤矿智能化建设的相关文献，全面了解该领域的研究现状、发展趋势以及存在的问题。运用案例分析法，选取具有代表性的煤矿企业作为研究对象，深入分析在应用矿鸿操作系统，构建综采液压支架控制系统架构过程中的实践经验、取得的成效以及面临的挑战，通过实际案例的分析，总结出具有普遍性和指导性的结论。

矿鸿操作系统剖析

1.1 矿鸿系统发展脉络

矿鸿操作系统源于国家能源集团与华为技术有限公司的深度战略合作。2021年9月14日，双方强强联合发布了矿鸿操作系统，开启了煤炭工业智能化变革的新篇章。研发整合了通信技术、软件开发和煤矿业务等多领域的优势资源，历经多次技术攻关与测试优化。

矿鸿操作系统自发布以来，在多个煤矿企业试点应用，国能神东煤炭集团有限责任公司乌兰木伦煤矿（简称乌兰木伦煤矿）作为首个全面适配矿鸿的试点矿井，率先完成多批次设备适配工作，为矿鸿大规模推广积累了丰富经验。随后，在全国范围内的煤炭企业中逐步推广，不断拓展应用场景，从最初的综采工作面设备控制，逐渐延伸到掘进、运输、通风等全矿井生产环节，推动了煤矿智能化的整体进程，乌兰木伦煤矿全面适配矿鸿如图1所示。

图1 乌兰木伦煤矿全面适配矿鸿

1.2 矿鸿系统技术原理与特点

矿鸿操作系统基于华为鸿蒙系统的微内核架构，将操作系统的核心功能精简至最小化，仅保留任务调度、内存管理等关键功能。系统在面对复杂环境时具有更高的稳定性和扩展性。通过将非核心功能模块化并运行在用户态，矿鸿操作系统有效隔离故障，避免因单一模块崩溃导致整个系统瘫痪。分布式软总线技术通过统一的通信协议和接口，实现了设备间的无缝连接。软总线技术采用基于消息队列的通信机制，支持设备的自发现和自连接，数据传输延迟低至毫秒级，满足煤矿井下设备对实时性的严格要求。

矿鸿操作系统为各类煤矿设备提供统一运行环境，避免了多操作系统带来的兼容性问题。通过制定统一的数据接口标准和通信协议，如MDTP协议打破了不同设备间的数据壁垒，实现数据的顺畅共享与交互。矿鸿操作系统支持设备与人员智能终端的互联互通，实时感知周边环境信息，如瓦斯浓度、设备运行状态等，为安全生产提供有力保障，矿鸿系统架构如图2所示。

图2 矿鸿系统架构

矿鸿操作系统与综采液压支架的融合架构

2.1 传统液压支架控制系统架构与局限

传统综采液压支架控制系统架构涵盖多个关键部分。液压支架本体为核心支撑，支撑顶板压力，为采煤作业撑起稳定空间；电液控制系统掌控支架动作，实现升架、降架、移架、推移刮板输送机等操作；泵站系统保障液压油供应与压力稳定；压力、倾角等各类传感器，实时采集支架运行状态数据，辅助控制决策。

随着智能化推进，传统架构短板逐渐显现。协同作业能力不足，不同厂家支架因通信协议冲突难以高效联动，在复杂地质区需多台支架协同支护时，常动作紊乱、相互干扰，无法构建整体支护体系；数据处理应用能力弱，缺乏统一数据管理平台，传感器数据分散存储、格式杂乱，深度整合分析艰难；设备故障诊断依赖人工经验，突发故障排查耗时久，相关数据显示，部分矿井里液压支架故障引发的停机时间，占总生产时间比例高达15%。此类问题严重制约了煤炭生产的连续性和稳定性，亟待通过技术创新进行革新，传统综采液压支架控制系统架构如图3所示。

图3 传统综采液压支架控制系统架构

2.2 矿鸿系统与液压支架控制系统融合优势

（1）从技术适配层面来看，矿鸿操作系统的分布式架构兼容综采液压支架控制系统的分布式布局。综采工作面通常数百米，分布着数十台甚至上百台液压支架，传统集中式控制系统难以满足实时性与可靠性要求。

（2）矿鸿分布式架构可将控制逻辑分散至各支架节点，实现本地快速决策与协同，以乌兰木伦煤矿为例，引入矿鸿系统后，支架间协同响应时间缩短至毫秒级，提升跟机作业效率。在软总线技术支持下，矿鸿系统无缝连接不同厂家、型号的液压支架控制器及传感器，打破信息孤岛，实现设备即插即用。据统计，国内煤矿使用的液压支架品牌超过20种，通信协议繁杂，矿鸿系统凭借软总线的统一接入能力，适配成功率超过90%。

（3）国家发改委、国家能源局联合印发的《国家能源技术革命创新行动计划（2016—2023年）》中提出：2023年实现智能化开采，重点煤矿区基本实现工作面无人化。综采液压支架作为关键一环，与矿鸿深度融合可满足安全高效生产需求，精准控制顶板支护，减少顶板事故；顺应少人化、无人化趋势，工人远程操控支架，降低井下作业强度与风险，为煤炭行业可持续发展筑牢根基。

2.3 矿鸿系统软件基础功能集成

以远程控制软件功能为例，通过开发基于矿鸿分布式软总线的远程控制APP，操作人员可在井上集控中心通过智能终端对井下液压支架进行精准操控。APP界面采用直观的3D可视化建模，实时呈现液压支架的三维模型及运行状态参数，操作人员通过触摸操作即可向支架发送控制指令，实现跟机自动化操作，支架可依据采煤机位置信息自动完成升架、降架、移架等系列动作，响应时间缩短至毫秒级，提高了采煤效率。

矿鸿系统视频主机在国能神东煤炭集团有限公司保德煤矿（简称保德煤矿）顺利通过井下工业性试验，搭载矿鸿控制系统的视频主机如图4所示，矿鸿系统视频主机的成功应用，推动了矿鸿标准系统在工作面监控中心的应用，为矿鸿系统在煤矿井下的物联网网关、边缘计算和视频识别等高级应用打下良好基础。

图4 搭载矿鸿控制系统的视频主机

液压支架电控采用网络型控制系统，搭载矿鸿操作系统，支持设备“一碰连”矿鸿特有功能。为煤矿带来设备交互方式、设备连接方式、数据管理方式的3个方面的转变，构建了人机互联、万物互联、智能互联的示范矿井，技术人员通过“一碰连”掌握工作面实施生产现场如图5所示。

图5 技术人员通过“一碰连”掌握工作面实施生产现场

2.4 矿鸿系统的代表性研究成果分析

（1）红柳煤矿

国能宁夏煤业有限责任公司红柳煤矿（简称红柳煤矿）基于矿鸿操作系统，建立了统一Ethernet/IP协议平台，工作面所有系统采用统一接口和协议接入矿井5G网络，矿井平台可便捷访问每个系统，解决了数据传输协议不统一的问题，提升了数据传输可靠性，实现数据统一管理与应用。

在便捷作业方面，红柳煤矿借助矿鸿系统，井下工作人员巡检时，华为手机终端与工作面控制器通过“一碰连”功能，实现手持终端与控制器互联互通，并远程控制。手机APP支持蓝牙近感自动连接，可发现各类设备数据并操控，终端与控制器实时互联及信息自主报送。

在安全生产效率和设备运维效率方面，红柳煤矿构建了协同作业+智能决策+远程干预的智能化无人开采模式，将职工从危险采场转移到安全监控中心，减少了意外伤害。借助工作面装备故障诊断及精准维护系统，快速精准判别综采设备故障位置，对设备运行时间、使用寿命等进行监测并提醒维护保养，具备不低于1 000个测点的监测能力，响应时间<10 s，保障设备安全稳定运行。

在减员增效方面，红柳煤矿应用该系统后，工作面单班作业人员由8人减至4人，生产能力从210万t/a提升至240万t/a，回采工效成倍提高。通过实现全工作面自动化跟机作业常态化，井下作业人员从操作工转变为巡视工，节约人工投入且提高了生产作业安全性。

（2）布尔台煤矿

国能神东煤炭集团有限公司布尔台煤矿（简称布尔台煤矿）通过部署矿鸿系统，规范了不同设备及厂商间的数据通信协议，采煤机智能截割、液压支架自适应支护、刮板输送机智能运输、巷道监控中心等主要系统，实现了网络连接、数据实时交互以及设备间联动启停，实现了协同作业，提高了生产效率。

布尔台煤矿在液压支架控制系统应用中，移动设备靠近液压支架控制器，通过矿鸿系统“一碰连”自动识别并组建加密网络，实现远程控制和多架联动，简化操作流程、降低操作难度、减少安全隐患。

（3）乌兰木伦煤矿

乌兰木伦煤矿将矿鸿操作系统应用于薄煤层综采面设备，统一数据接口和协议标准，借助5G网络，作业人员通过智能防爆手机操控设备，自动化率超过85%，采煤工作面人数从11人减至4人，工效每工每班由164 t提高到450 t，工作效率提高约2.74倍，薄煤层开采率和智能化水平显著提升。

综上所述，矿鸿操作系统从解决信息孤岛、实现便捷作业，到提升安全与运维效率、助力减员增效，都发挥了重要作用。

2.5 矿鸿系统应用存在的不足

矿鸿操作系统在煤炭行业的应用中展现出诸多优势，深入剖析整体产业生态和实际应用场景，仍存在部分不足之处，在一定程度上影响了矿鸿操作系统更广泛、更深入的应用与发展。

（1）技术适配角度

矿鸿操作系统已在部分煤矿的关键设备上进行了部署，但不同煤矿设备的多样性和复杂性对适配性提出了严峻挑战。煤炭行业设备种类繁多，包括各类采煤机、刮板输送机、通风设备等，且不同厂家生产的设备在硬件架构、通信协议等方面差异巨大。在实际应用中，矿鸿操作系统难以快速、完美地适配所有设备，导致部分设备在接入系统时出现兼容性问题，影响设备间的协同工作效率。部分老旧设备由于硬件限制，无法充分发挥矿鸿操作系统的功能优势，甚至需要对设备进行大规模改造升级才能适配，增加了企业的应用成本和时间成本。

（2）应用生态建设方面

矿鸿操作系统处于发展阶段，应用数量和种类相对有限。目前，主要集中在设备控制、故障诊断等基础功能应用上，在数据分析、智能决策等高级应用领域拓展不足。煤矿企业在智能化转型过程中，需要丰富多样的应用以满足不同业务场景的需求。如基于大数据的产量预测、设备维护计划优化等。因应用生态不完善，企业难以充分利用矿鸿操作系统挖掘数据价值，限制了在提升企业整体运营效率方面的作用，应用开发的难度和成本也是影响生态建设的重要因素。

矿鸿与综采液压支架控制系统融合优化

3.1 总体架构设计思路

基于矿鸿操作系统的综采液压支架控制系统架构设计，旨在构建高度集成、智能协同系统，满足煤矿智能化开采需求。充分利用矿鸿操作系统的分布式特性，有机融合设备层、数据传输层、控制层和应用层，实现设备间高效互联互通和数据的实时共享。矿鸿操作系统的综采液压支架控制系统总体架构设计如图6所示。

图6 矿鸿操作系统的综采液压支架控制系统总体架构设计

（1）设备层通过统一的设备接入标准，将各类综采液压支架设备以及相关的传感器、执行器等接入矿鸿操作系统，确保设备能够无缝融入系统。

（2）数据传输层采用矿鸿操作系统的软总线技术和5G通信技术，构建高速、稳定的数据传输通道，实现设备数据的快速传输和交互。

（3）控制层基于矿鸿操作系统的智能控制算法，对液压支架的运行状态进行实时监测和精准控制，根据采煤工艺和顶板条件的变化自动调整支架的动作。

（4）应用层为操作人员提供友好的人机交互界面，实现对综采液压支架控制系统的远程监控、操作和管理。

3.2 各层架构详细设计

（1）设备层

设备层是综采液压支架控制系统的基础，主要包括液压支架本体、各类传感器和执行器。液压支架本体采用先进的设计理念，具备高强度、高可靠性和良好的适应性，传感器设备接入架构如图7所示。

图7 传感器设备接入架构

在支架的关键部位安装高精度压力传感器、位移传感器、倾角传感器等，实时采集支架的支撑压力、位移量、倾斜角度等参数。传感器将采集到的数据通过矿鸿操作系统的设备接入模块，以标准化的格式传输到数据传输层。执行器接收控制层发送的控制指令，驱动液压支架完成升架、降架、移架等动作，为确保设备层稳定运行，严格把关设备选型和安装，选择符合煤矿井下安全标准的设备，并采用可靠的安装方式，防止设备在复杂的井下环境中出现故障。

（2）数据传输层

数据传输层是实现设备之间数据交互的关键环节，采用矿鸿操作系统的软总线技术和5G通信相结合的方式。软总线技术作为矿鸿操作系统的核心技术之一，实现设备间自发现、自连接和数据快速传输，数据传输架构如图8所示。

图8 数据传输架构

通过软总线各类设备在无需复杂配置的情况下，自动建立连接并进行数据交互。5G通信为数据传输提供了高速、低时延网络支持。在煤矿井下，构建5G通信网络，将数据传输层各节点连接起来，确保数据实时、准确传输到控制层和应用层。

为提高数据传输的可靠性，采用多信道通信备份技术，当主信道出现故障时，自动切换到备用信道，保证数据传输的连续性。同时，对数据进行加密处理，防止数据在传输过程中被窃取或篡改，确保数据的安全性。

（3）控制层

控制层是综采液压支架控制系统的核心控制单元，基于矿鸿操作系统的智能控制算法，实现对液压支架的精准控制，设备控制架构如图9所示。

图9 设备控制架构

控制层接收来自设备层的传感器数据，实时分析和处理数据，根据采煤工艺和顶板条件的变化，自动生成控制指令。当顶板压力增大时，控制层自动调整液压支架的支撑压力，确保顶板的稳定；当采煤机推进时，控制层根据采煤机的位置信息，自动控制液压支架的移架动作，实现跟机作业。

控制层具备故障诊断和预警功能，通过对设备运行数据的实时监测和分析，及时发现设备的潜在故障，并发出预警信号，提醒操作人员进行处理。为了提高控制层的响应速度和控制精度，采用高性能的处理器和先进的控制算法，确保控制指令能够快速、准确地发送到执行器。

（4）应用层

应用层为操作人员提供了便捷的人机交互界面，实现对综采液压支架控制系统的远程监控、操作和管理。应用层采用矿鸿操作系统的分布式应用框架，开发了系列功能模块，如设备状态监测模块、远程控制模块、数据分析模块等，分布式应用方案如图10所示。

图10 分布式应用方案

设备状态监测模块实时显示液压支架的压力、位移、倾角等工作状态参数，以及设备运行状态、故障信息等。操作人员实时了解设备的运行情况，及时发现问题并进行处理。远程控制模块允许操作人员通过平板电脑、手机等智能终端，远程操作液压支架，如升架、降架、移架等。

数据分析模块对采集到的大量设备运行数据进行分析和挖掘，为操作人员提供决策支持，如优化采煤工艺、调整设备运行参数等。为了提高应用层的易用性和稳定性，采用简洁明了的界面设计和可靠的软件架构，确保操作人员能够快速上手并稳定使用。

结语

探讨矿鸿操作系统与综采液压支架控制系统的融合架构，提出了涵盖设备层、数据传输层、控制层和应用层的优化方案的总体架构。从技术适配层面、行业需求角度，以红柳煤矿、布尔台煤矿为例，论述了矿鸿系统的代表性研究成果，由于煤矿地质条件、开采工艺等存在较大差异，研究在样本数量上存在一定局限性，有限样本难以全面涵盖所有可能情况。未来研究将进一步扩大样本范围，深入研究不同地质条件、开采工艺下的矿鸿系统应用情况，以提高研究结果的普适性。

编辑丨李莎

审核丨赵瑞

煤炭科学研究总院期刊出版公司拥有科技期刊21种。其中，SCI收录1种，Ei收录5种、CSCD收录6种、Scopus收录7种、中文核心期刊9种、中国科技核心期刊11种、中国科技期刊卓越行动计划入选期刊4种，是煤炭行业最重要的科技窗口与学术交流阵地，也是行业最大最权威的期刊集群。

《智能矿山》

Journal of Intelligent Mine

月刊CN 10-1709/TN，ISSN 2096-9139，聚焦矿山智能化领域产学研用新进展的综合性技术刊物。

主编：王国法院士

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