Підхід до створення фізично достовірних даних для систем моніторингу безпеки кранів на основі скінченно-елементного моделювання

Автор(и)

  • Богдан Соловей Київський національний університет будівництва і архітектури, Україна http://orcid.org/0009-0008-0328-1123
  • Олександр Терентьєв Київський національний університет будівництва і архітектури, Україна https://orcid.org/0000-0001-9499-6635

DOI:

https://doi.org/10.30837/2522-9818.2026.1.115

Ключові слова:

чисельне моделювання; скінченно-елементна модель; генерація даних; моніторинг безпеки; монорейковий кран

Анотація

This article focuses on the stability of monorail mobile cranes, particularly tipping and sliding stability coefficients. Traditional static models, which assume rigid structures, fail to account for deformation effects, leading to non-conservative and unreliable stability assessments. This makes them unsuitable for generating data used in AI-based safety monitoring systems. The aim of the study is to develop and substantiate an approach to generating data for assessing the stability of monorail traveling cranes based on finite element modeling, taking into account structural deformation effects. To achieve this aim, the following tasks are addressed in the paper: developing an approach to generating datasets for assessing the stability of a monorail crane based on finite element modeling; validating the proposed approach through a quantitative comparative analysis of the generated data with data obtained using the static approach; demonstrating the statistical significance of the identified differences. Methods used: experimental design, Euler-Bernoulli beam theory, statistical distribution analysis, and numerical simulation. Results show that FEM produces significantly different outcomes. The average tipping coefficient β decreased by 2.4% (from 1.398 to 1.365), and the sliding coefficient γ dropped nearly 50% (from 1.87 to 0.85), with high statistical significance (p < 0.001). Conclusions: FEM captures geometric nonlinearity, showing that elastic deformation alters the load path, increasing tipping moments and reducing stability margins. Unlike static models, the proposed method identifies unsafe operating zones previously misclassified as safe. Practical application: the model can generate synthetic data to train machine learning systems for real-time crane stability prediction, enhancing the safety of AI-driven monitoring technologies.

Біографії авторів

Богдан Соловей, Київський національний університет будівництва і архітектури

аспірант кафедри інформаційних технологій проектування та прикладної математики

Олександр Терентьєв, Київський національний університет будівництва і архітектури

доктор технічних наук, професор кафедри інформаційних технологій проектування та прикладної математики

Посилання

References

Вапнічна, В. В., Сергієнко, М. І., Фролов, О. О. (2025), Технологія, механізація та організація геотехнічного будівництва: гірничі і будівельні машини: навч. посіб. для здобувачів ступеня бакалавра за освіт. програмою «Геоінженерія» спец. G16 Гірництво та нафтогазові технології, КПІ ім. Ігоря Сікорського, Київ, 248 с., available at: https://ela.kpi.ua/handle/123456789/75143 (last accessed 18.03.2026). 2. Awad, A. H., Alsabaan, M., Ibrahem, M. I., Saraya, M. S., Elksasy, M. S. M., Ali‑Eldin, A. M., Abdelsalam, M. M. (2024), "Low‑cost IoT‑based sensors dashboard for monitoring the state of health of mobile harbor cranes: Hardware and software description", Heliyon, 10(22), e40239. DOI: https://doi.org/10.1016/j.heliyon.2024.e40239 3. Han, Z., Zhao, J., Leung, H., Ma, K.F. and Wang, W. (2019), "A review of deep learning models for time series prediction", IEEE Sensors Journal, 21(6), pp.7833-7848. available at: https://ieeexplore.ieee.org/document/8742529 4. Li, W., Law, K. E. (2024), "Deep learning models for time series forecasting: A review", IEEE Access, 12, pp. 92306–92327. DOI: https://doi.org/10.1109/ACCESS.2024.3422528 5. Терентьєв, О., Соловей, Б. (2025), "Машинне навчання Байєсової нейронної мережі з гамма‑розподілом для оцінювання стійкості монорейкового крана", Управління розвитком складних систем, (62), pp. 134–140. DOI: https://doi.org/10.2412-9933.2025.62.134-140 6. Liu, Z., Liu, K., Chen, C., Lu, S., Wang, H., Yin, L. (2025, June), "Similitude‑based construction of scaled crane boom models via finite element analysis", Journal of Physics: Conference Series, 3033(1), 012034. DOI: https://doi.org/10.1088/1742-6596/3033/1/012034 7. Georgiev, C. (2024), "Enhancing tower crane stability through mast bracing and finite element analysis", Proceedings of the Technical University of Sofia, 74, pp. 8-14. DOI: https://doi.org/10.47978/TUS.2024.74.01.002 8. Tomasi, I., Solazzi, L. (2025), "Dynamic analysis of an offshore knuckle‑boom crane under different load applications laws", Applied Sciences, 15(14), 8100. DOI: https://doi.org/10.3390/app15148100 9. Dipu, M. N. H., Apu, M. H., Chowdhury, P. P. (2024), "Identification of the effective crane hook's cross‑section by incorporating finite element method and programming language", Heliyon, 10(9). DOI: https://doi.org/10.1016/j.heliyon.2024.e29918 10. Lu, C., Yang, Z., Li, P., Zhang, X., Huang, J., Wang, L. (2022), "Finite element analysis and reinforcement of steel crane beam under eccentric track loading", Machines, 10(9), 783. DOI: https://doi.org/10.3390/machines10090783 11. Zhang, Q., Mei, B., Yang, H., Hu, X., An, W., Yue, Y., Wang, Z. (2025), "Stress measurement and analysis of structural parameters of flat arm tower crane under different working conditions", Buildings, 15(7), 1137. DOI: https://doi.org/10.3390/buildings15071137 12. Buczkowski, R., Żyliński, B. (2021), "Finite element fatigue analysis of unsupported crane", Polish Maritime Research, 28(1), pp.127-135, DOI: https://doi.org/10.2478/pomr-2021-0012 13. Zhou, Z., Johns, B., Fang, Y., Bai, Y., Abdi, E. (2025), "Physics‑informed neural network for load sway prediction in travelling autonomous mobile cranes", Advanced Engineering Informatics, 65, 103269. DOI: https://doi.org/10.1016/j.aei.2025.103269 14. Волянюк, В. О., Горбатюк, Є. В. (2021). Розрахунок механізмів вантажопідіймальних машин: навч. посіб., КНУБА, Київ, 136 с. 15. Скляров, І. О., Тонкачеєв, В. Г., Склярова, Т. С. (2024), Конструкції будівель і споруд. Металеві конструкції: навч. посіб., Каравела, Київ, 174 с.

##submission.downloads##

Опубліковано

2026-03-30

Як цитувати

Соловей, Б., & Терентьєв, О. (2026). Підхід до створення фізично достовірних даних для систем моніторингу безпеки кранів на основі скінченно-елементного моделювання. СУЧАСНИЙ СТАН НАУКОВИХ ДОСЛІДЖЕНЬ ТА ТЕХНОЛОГІЙ В ПРОМИСЛОВОСТІ, (1(35), 115–126. https://doi.org/10.30837/2522-9818.2026.1.115