Digitalisasi industri yang sering disebut sebagai Industry 4.0 telah memicu perubahan besar dalam cara perusahaan mengelola produksi, aset, dan strategi pemeliharaan. Dalam konteks ini, paper karya Adolfo Crespo del Castillo berjudul “Digital Twin Systems Modelling to Improve Real Time Assets Operation and Maintenance” hadir untuk memberikan pendekatan metodologis yang komprehensif tentang bagaimana Digital Twin (DT) dapat diimplementasikan guna meningkatkan operasi dan pemeliharaan aset secara real-time.

Resensi ini membahas isi paper secara mendalam, memparafrasekan temuan-temuan penting, lalu menambahkan analisis praktis dan aplikatif tentang bagaimana konsep tersebut bisa berdampak nyata pada industri. Dengan struktur yang rapi dan gaya SEO-friendly, tulisan ini ditujukan untuk memberikan pemahaman yang tidak hanya akademis, tetapi juga langsung relevan dengan kebutuhan industri masa kini.

Latar Belakang dan Motivasi Penelitian

Industri global sedang mengalami restrukturisasi besar akibat dorongan digitalisasi. Perusahaan tidak hanya dituntut untuk memproduksi lebih cepat, tetapi juga harus lebih adaptif terhadap permintaan pelanggan yang semakin beragam dan personal. Jika dulu strategi produksi massal menjadi andalan, kini pelanggan ingin produk kustom dengan waktu tunggu singkat.

Di sinilah muncul konsep pabrik pintar (smart factory), yang ditopang oleh:

• IoT (Internet of Things): jaringan sensor dan perangkat yang saling terhubung.
• Big Data: pengelolaan dan analisis data dalam skala besar.
• CPS (Cyber-Physical Systems): sistem yang mengintegrasikan komponen fisik dengan model digital dalam lingkaran umpan balik (feedback loop).

Motivasi utama penelitian ini adalah menciptakan model digital yang mampu merepresentasikan mesin nyata, memantau kondisi operasional secara real-time, serta memberikan dukungan bagi pengambilan keputusan pemeliharaan berbasis kondisi (condition-based maintenance).

Kerangka Konseptual

Industry 4.0

Istilah Industry 4.0 pertama kali diperkenalkan pada Hannover Fair 2011. Intinya adalah penggunaan teknologi digital untuk mengubah cara kerja pabrik. Tujuan akhirnya adalah menciptakan ekosistem manufaktur yang terintegrasi, cerdas, efisien, dan adaptif.

Dalam kerangka Industry 4.0, pilar-pilar teknologi utamanya adalah:

• IoT: memungkinkan komunikasi antar mesin tanpa intervensi manusia.
• Big Data: menyediakan wawasan dari analisis jutaan data sensor.
• Cloud Computing: menyimpan, memproses, dan membagikan data lintas lokasi.
• AI (Artificial Intelligence): menambahkan kecerdasan prediktif pada sistem.

Cyber-Physical Systems (CPS)

CPS adalah gabungan sistem fisik dan virtual yang saling terhubung dalam lingkaran kontrol. Mesin fisik mengirim data melalui sensor ke model digital, lalu model tersebut menganalisis dan memberikan perintah kembali ke mesin fisik. CPS membuka peluang untuk:

• Produksi fleksibel.
• Prediksi kegagalan mesin lebih dini.
• Model bisnis baru berbasis personalisasi produk.

Digital Twin (DT)

Konsep Digital Twin pertama kali dicetuskan oleh Michael Grieves (2003) dan populer sejak 2011. Definisinya bervariasi, tetapi secara umum DT adalah representasi digital yang selalu sinkron dengan kondisi fisik aset. DT berfungsi sebagai:

• Mirror system: cermin virtual dari kondisi nyata.
• Decision-support tool: alat bantu manajemen untuk merencanakan pemeliharaan.
• Prototyping environment: media uji coba desain dan proses sebelum diterapkan pada sistem nyata.

Metodologi Penelitian

Lingkungan Eksperimen

Penelitian ini dilakukan di Industry 4.0 Lab Politecnico di Milano, yang dirancang sebagai miniatur pabrik pintar. Lab ini berisi 7 stasiun perakitan ponsel dengan teknologi Siemens dan Festo, masing-masing dilengkapi sensor, PLC (Programmable Logic Controller), serta modul kendali. Data dikumpulkan melalui protokol komunikasi OPC UA (Open Platform Communications Unified Architecture), yang memungkinkan transfer data mesin-ke-mesin (M2M).

Representasi Proses dengan IDEF

Untuk memodelkan alur kerja, digunakan metode IDEF (Integrated Definition for Function Modeling):

• IDEF0: memetakan alur global proses.
• IDEF1: menggambarkan detail variabel, input, dan output.

Metodologi ini membantu menjelaskan bagaimana data fisik dikonversi ke model digital dan bagaimana model digunakan untuk mendukung pemeliharaan.

Akuisisi Data

Data dikumpulkan dari PLC menggunakan Matlab/Simulink sebagai client OPC UA. Fungsi Level 2 Matlab S-Function diprogram untuk mengekstrak data real-time. Misalnya, untuk mesin pengebor (drilling machine), sensor-sensor seperti XQA A1, xBG1, dan iRedCode digunakan untuk mendeteksi status mesin: Idle, Working, Energy-saving, Fault.

Pemodelan Kondisi Aset

Untuk menilai kesehatan mesin, digunakan Asset Health Index (AHI). Konsep ini didasarkan pada dua faktor degradasi:

• Hardness Factor: tingkat kekerasan material yang dibor.
• Drill Factor: jumlah lubang yang dibuat mesin.

Dengan faktor-faktor ini, AHI dihitung menggunakan rumus:

AHIt=Hn⋅eAR×AOTtAHI_t = H_n \cdot e^{AR \times AOT_t}

• AR (Ageing Rate): laju penuaan aset.
• AOT (Accumulated Operational Time): waktu operasional terakumulasi.
• Hn (Initial Health): kondisi awal mesin.

Dari AHI ini, probabilitas kegagalan dihitung, sehingga perusahaan bisa mengetahui kapan aset mendekati batas keausan.

Pemodelan dengan Artificial Neural Networks (ANN)

Selain AHI, penelitian ini juga mengembangkan model berbasis ANN (Artificial Neural Networks). ANN adalah model komputasi terinspirasi otak manusia, yang terdiri dari neuron-neuron buatan dengan bobot (weight) tertentu. Dalam penelitian ini, ANN digunakan untuk:

• Input: jumlah bor, material, waktu operasi, nilai AHI.
• Output: konsumsi energi mesin.

ANN dilatih dengan algoritma backpropagation untuk mendeteksi anomali konsumsi energi yang bisa menjadi indikator dini kegagalan.

Hasil Penelitian

1. Konversi Sinyal ke Model Digital
   • Berhasil dilakukan dengan OPC UA dan Level 2 Matlab S-Function.
   • Mesin pengebor dapat dipantau real-time.
2. Monitoring Status Mesin
   • Status mesin (Idle, Working, Energy-saving, Fault) terekam otomatis.
   • Data disimpan dalam file teks untuk analisis historis.
3. Asset Health Index (AHI)
   • Mampu memprediksi degradasi mesin secara simulatif.
   • Probabilitas kegagalan dihitung berdasarkan nilai AHI.
4. Artificial Neural Networks (ANN)
   • ANN berhasil menunjukkan pola deviasi konsumsi energi.
   • Meski masih berbasis data simulasi, ANN terbukti efektif untuk deteksi anomali.

Analisis Aplikatif

Relevansi Industri

• Efisiensi Pemeliharaan
  Dengan AHI, perusahaan bisa menerapkan predictive maintenance dan menghindari downtime tak terduga.
• Zero-Breakdown Vision
  ANN memungkinkan deteksi dini kegagalan sehingga kerusakan besar bisa dicegah.
• Penghematan Biaya
  Lebih sedikit kerusakan darurat berarti biaya pemeliharaan lebih rendah.
• Optimalisasi Produksi
  Monitoring real-time memungkinkan penyesuaian cepat jika terjadi anomali pada lini produksi.

Kelemahan dan Kritik

• Data Simulasi
  Mesin pengebor di laboratorium hanya simulasi, sehingga degradasi aset tidak sepenuhnya realistis.
• Kurangnya Feedback Loop
  Model DT belum bisa mengirimkan perintah balik untuk melakukan pemeliharaan otomatis.
• ANN Masih Terbatas
  Karena hanya diuji pada data sintetik, ANN belum teruji dalam kondisi industri nyata.

Potensi Perkembangan

• Mengintegrasikan data nyata dari pabrik untuk meningkatkan validitas model.
• Membangun closed-loop DT yang bisa mengirim perintah ke mesin nyata.
• Mengembangkan Digital Twin sebagai platform prototyping sehingga desain produk baru bisa diuji sebelum produksi nyata.

Kesimpulan

Paper ini menunjukkan bahwa Digital Twin adalah teknologi potensial yang mampu mengubah cara industri mengelola aset. Dengan menggabungkan monitoring real-time, pemodelan kesehatan aset (AHI), dan kecerdasan buatan (ANN), sistem ini bisa membawa dunia industri menuju era pemeliharaan cerdas dan minim kegagalan.

Meskipun penelitian ini masih terbatas pada data simulasi, kontribusinya penting sebagai pijakan awal. Jika dikembangkan dengan data nyata, integrasi penuh, dan feedback loop, Digital Twin dapat menjadi solusi andalan untuk mencapai zero-breakdown maintenance dalam industri modern.

Pendahuluan: Meningkatkan Relevansi Pendidikan Vokasi

Dalam beberapa tahun terakhir, isu mismatch antara kompetensi lulusan SMK dengan kebutuhan industri menjadi sorotan utama dalam dunia pendidikan vokasi di Indonesia. Meski pemerintah telah menerapkan Kurikulum 2013 untuk meningkatkan relevansi lulusan SMK, kenyataannya angka pengangguran lulusan SMK tetap tinggi. Data BPS 2016 menunjukkan lebih dari 1,3 juta lulusan SMK masih menganggur. Situasi menimbulkan pertanyaan penting: apakah kurikulum yang ada sudah benar-benar sesuai dengan kebutuhan Dunia Usaha dan Dunia Industri (DU/DI)?

Untuk menjawab pertanyaan itu, Nuzulul Alifin Nur dan Sutarto dari Universitas Negeri Yogyakarta menulis sebuah artikel ilmiah yang mengkaji kesesuaian Standar Kompetensi Lulusan (SKL) pada Kurikulum 2013 SMK Kompetensi Keahlian Teknik Konstruksi Batu dan Beton (TKBB) dengan tuntutan dunia kerja jasa konstruksi di D.I. Yogyakarta.

Metodologi: Deskriptif-Kuantitatif Berbasis Realitas Lapangan

Penelitian ini mengadopsi pendekatan deskriptif-kuantitatif dengan dua kelompok responden utama:

• 30 badan usaha konstruksi (DU/DI) di D.I. Yogyakarta sebagai representasi kebutuhan industri

• 4 guru SMK dari SMKN 2 Yogyakarta dan SMKN 1 Seyegan sebagai pelaksana kurikulum.
   

Data dikumpulkan melalui angket, wawancara, dan validasi ahli. Selanjutnya, hasil yang diperoleh diuji reliabilitasnya menggunakan perangkat statistik SPSS.

 

Hasil: Tingkat Kesesuaian Tinggi, Implementasi Masih Terbatas

1. Tingkat Kesesuaian SKL dan Kebutuhan DU/DI: 97,18%

Hasil yang mencolok adalah tingginya tingkat kesesuaian antara SKL Kurikulum 2013 dengan kebutuhan industri jasa konstruksi, yakni mencapai 97,18%. Artinya, dari 50 kompetensi yang tercantum dalam SKL TKBB, semuanya relevan dengan kebutuhan dunia kerja saat ini.

Kompetensi tersebut terbagi atas:

• 22 kompetensi di mata pelajaran Konstruksi Batu

• 16 kompetensi di Konstruksi Beton Bertulang

• 12 kompetensi di Finishing Bangunan

2. Tingkat Implementasi di Sekolah: 70,75%

Meski secara kurikulum telah sesuai, tingkat keterlaksanaan di lapangan masih 70,75%, yang menunjukkan adanya gap antara perencanaan dan praktik.

Rinciannya:

• SMKN 2 Yogyakarta: 76,5%

• SMKN 1 Seyegan: 65%
   

Gap ini disebabkan oleh beberapa faktor, mulai dari minimnya pelatihan guru, keterbatasan alat praktik, hingga rendahnya partisipasi siswa dalam proses pembelajaran.

 

Studi Kasus: Realita Lapangan di Dua SMK Negeri DIY

Dalam survei terhadap lulusan tahun ajaran 2015/2016:

• Di SMKN 2 Yogyakarta, hanya 38,1% lulusan bekerja sesuai jurusan

• Di SMKN 1 Seyegan, bahkan lebih rendah, yaitu hanya 14,81%
   

Fakta ini menjadi sinyal bahwa kesesuaian kurikulum saja tidak cukup; diperlukan pembelajaran yang lebih kontekstual, dukungan infrastruktur yang memadai, dan kolaborasi yang kuat dengan industri.

 

Analisis Tambahan: Dimensi Kompetensi dan Tantangan Implementasi

Dimensi Kompetensi SKL

SKL dalam Kurikulum 2013 mencakup:

• Pengetahuan: teori konstruksi, bahan, metode

• Keterampilan: pemasangan batako, pengecoran beton, finishing

• Sikap: keselamatan kerja (K3), tanggung jawab, etos kerja

Namun, dari sisi implementasi, ada sejumlah tantangan:

• Guru belum menguasai semua materi akibat kurangnya diklat

• Sumber belajar terbatas, terutama buku dan media digital yang relevan

• Keterbatasan alat praktik, bahkan di sekolah yang dikategorikan unggulan

• Siswa cenderung pasif dan tidak terbiasa dengan problem-solving

 

Rekomendasi: Menjembatani Gap Kurikulum dan Dunia Industri

Untuk menjawab tantangan tersebut, peneliti dan penulis artikel merekomendasikan:

1. Pelatihan intensif untuk guru SMK, terutama dalam penguasaan materi teknis dan pedagogik

2. Pengadaan alat praktik dan laboratorium mini proyek

3. Kolaborasi aktif dengan DU/DI, misalnya:

   • Guru tamu dari industri

   • Magang siswa dan guru

   • Sertifikasi keterampilan dari industri

4. Penataan ulang alokasi waktu praktik vs teori agar lebih seimbang
    

 

Perbandingan dengan Penelitian Terkait

Penelitian ini sejalan dengan temuan Almira et al. (2016) di Jawa Timur yang juga menemukan bahwa relevansi SKL sangat tinggi, namun tingkat implementasi masih rendah. Pavlova (2009) juga menyebutkan bahwa kurikulum kejuruan harus "lahir dari industri" agar tidak kehilangan arah.

Di sisi lain, penelitian oleh Zainal (2015) menunjukkan bahwa masih ada 25 dari 59 kompetensi yang dianggap kurang relevan dalam konteks lokal DIY. Ini menunjukkan perlunya penyesuaian kurikulum secara kontekstual dan dinamis, bukan hanya nasional.

 

Kesimpulan: Relevansi Kurikulum Sudah Baik, Eksekusinya Perlu Ditingkatkan

Secara garis besar, kurikulum SMK Kompetensi TKBB sudah sangat relevan dengan kebutuhan jasa konstruksi, namun belum sepenuhnya terlaksana secara maksimal di sekolah. Kombinasi antara pelatihan guru, peningkatan fasilitas, serta kerja sama aktif dengan DU/DI akan menjadi kunci untuk meningkatkan kualitas lulusan.

Jika dilaksanakan dengan serius, maka harapan agar lulusan SMK benar-benar siap kerja dan terserap industri bukanlah hal yang mustahil.

Sumber:

Nur, N. A., & Sutarto. (2019). Kesesuaian Standar Kompetensi Lulusan (SKL) pada Kurikulum 2013 SMK Kompetensi Keahlian Teknik Konstruksi Batu dan Beton (TKBB) dengan Kebutuhan Dunia Usaha/Dunia Industri (DU/DI) Jasa Konstruksi di D.I. Yogyakarta. Jurnal Pendidikan Teknik Sipil, Vol. 1 No. 1. DOI: 10.21831/jpts.v1i1.28275

Disertasi karya Gabriele Tucci (2022) yang berjudul “Data-Driven Modeling of Turbomachinery and Energy Systems: A Machine Learning Framework for Digital Twin and Condition-Based Maintenance Applications” merupakan salah satu penelitian doktoral yang menyoroti peran kecerdasan buatan (Artificial Intelligence/AI) dan pembelajaran mesin (Machine Learning/ML) dalam menghadirkan inovasi nyata bagi sektor energi. Penelitian ini tidak hanya menawarkan kerangka konseptual, tetapi juga menghadirkan bukti aplikatif melalui eksperimen pada turbomachinery (mesin turbin, kompresor, dan perangkat fluida berputar) serta sistem energi berbasis genset.

Dalam resensi ini, saya akan menguraikan isi disertasi secara parafrasa lengkap, kemudian menghubungkannya dengan relevansi industri. Analisis akan disajikan dengan bahasa alami, SEO-friendly, dan menekankan aspek aplikatif.

Industri Energi dalam Bayang-Bayang Kompleksitas

Era Industri 4.0 menandai perubahan paradigma besar dalam pengelolaan manufaktur dan energi. Konsep utama seperti Cyber-Physical Systems (CPS), Digital Twin (DT), dan Internet of Things (IoT) memungkinkan data mengalir bebas dari sensor ke model komputasi. Namun, tantangan besar muncul ketika volume data yang terkumpul semakin masif, heterogen, dan kompleks.

Dalam konteks turbomachinery, tantangan utamanya adalah:

• Proses desain yang sangat mahal karena harus melalui perhitungan Computational Fluid Dynamics (CFD) dan uji eksperimental.
• Proses pemeliharaan yang masih mengandalkan model preventive maintenance tradisional, yakni mengganti komponen berdasarkan umur pakai rata-rata, tanpa mempertimbangkan kondisi aktual.
• Downtime atau waktu henti operasi yang berakibat pada kerugian ekonomi signifikan.

Tucci menekankan bahwa model berbasis empiris dan uji coba konvensional tidak lagi cukup. Dunia industri memerlukan model prediktif yang mampu memanfaatkan big data untuk menghasilkan keputusan cepat, tepat, dan hemat biaya.

Digital Twin: Replika Virtual dengan Kekuatan Real-Time

Salah satu konsep kunci yang dibahas dalam penelitian ini adalah Digital Twin (DT). DT adalah representasi virtual dari mesin fisik yang diperbarui secara real-time oleh data sensor. Tucci menekankan dua fungsi utama DT:

1. Sebagai Digital Twin Prototype (DTP) – digunakan pada fase desain, sebelum prototipe fisik dibuat. Dengan ini, insinyur dapat menguji ribuan variasi desain secara virtual, mempercepat proses inovasi.
2. Sebagai Digital Twin Instance (DTI) – digunakan pada fase operasi, ketika mesin sudah berjalan. Data sensor mengalir ke DT, memungkinkan pemantauan kondisi mesin dan deteksi anomali secara real-time.

DT kemudian dipadukan dengan Digital Thread, yaitu alur data yang menghubungkan seluruh siklus hidup produk mulai dari desain, manufaktur, operasi, hingga pembuangan. Integrasi ini memungkinkan perusahaan mendapatkan wawasan menyeluruh mengenai kondisi mesin di setiap fase.

Artificial Intelligence dan Machine Learning: Otak dari Digital Twin

Tucci menekankan bahwak AI dan ML  adalah inti dari implementasi DT. Tanpa algoritme cerdas, data hanya menjadi kumpulan angka yang tidak bernilai.

Beberapa peran penting ML dalam DT adalah:

• Prediksi performa mesin: Menggunakan data historis dan sensor untuk memprediksi output seperti tekanan, efisiensi, atau suhu.
• Optimisasi desain: Mengurangi kebutuhan simulasi CFD yang mahal dengan membuat metamodel berbasis ML.
• Deteksi anomali: Menemukan pola yang menyimpang dari operasi normal sehingga potensi kerusakan dapat diantisipasi lebih awal.
• Pemeliharaan berbasis kondisi (Condition-Based Maintenance/CBM): Mengganti komponen hanya ketika data menunjukkan tanda degradasi, bukan sekadar berdasarkan jadwal tetap.

Eksperimen: Machine Learning pada Turbomachinery

Penelitian ini tidak berhenti pada konsep, melainkan masuk ke eksperimen nyata. Tucci membagi aplikasinya ke dalam tiga kasus utama.

1. Clustering untuk Desain Turbomachinery

Menggunakan 76 simulasi numerik, Tucci mengaplikasikan metode unsupervised learning berupa clustering. Tujuan utama: mengeksplorasi ruang desain bilah turbin dengan cepat.

Hasilnya menunjukkan bahwa clustering mampu mengidentifikasi zona turbulensi dan mengelompokkan desain berdasarkan kesamaan pola aliran. Bagi insinyur, ini berarti proses penyaringan desain lebih cepat tanpa harus menguji setiap kemungkinan melalui CFD penuh.

2. Dimensionality Reduction untuk Eksperimen Blade Tip

Eksperimen berikutnya dilakukan pada rotating turbine rig dengan 48 bilah yang dibagi menjadi 7 sektor berbeda. Data performa aerotermal yang kompleks kemudian diproses dengan autoencoder dan Principal Component Analysis (PCA).

Hasil analisis mampu mengungkap hubungan kausal antara variasi tip geometry (ujung bilah) dengan performa aliran tak tunak. Dengan kata lain, ML berhasil menyaring pola penting dari dataset besar, memungkinkan desainer memahami interaksi aliran dengan desain bilah secara lebih intuitif.

3. Framework CBM pada Genset di District Heating Networks

Studi terakhir fokus pada genset yang digunakan di jaringan pemanas distrik (District Heating/DH). Dengan memanfaatkan data SCADA yang berisi sinyal operasional (tekanan, suhu, aliran) dan catatan peristiwa, Tucci membangun kerangka anomaly detection.

Algoritme yang diuji antara lain:

• XGBoost (Extreme Gradient Boosting)
• Multi-Layer Perceptron (MLP)

Hasilnya, model mampu mendeteksi anomali operasional sebelum kegagalan terjadi, dengan tingkat kesalahan prediksi yang rendah. Framework ini menjadi bukti bahwa pemeliharaan prediktif berbasis ML bisa diterapkan secara praktis pada sistem energi nyata.

Analisis Dampak Praktis terhadap Industri

Hasil-hasil penelitian ini memiliki implikasi luas:

• Penghematan Biaya: Pemeliharaan prediktif mengurangi penggantian komponen yang masih sehat, sekaligus mencegah downtime besar.
• Peningkatan Efisiensi Energi: Desain bilah yang dioptimalkan menghasilkan turbin dengan efisiensi lebih tinggi, berdampak pada konsumsi bahan bakar dan emisi.
• Kecepatan Inovasi Produk: Proses desain dengan DT memungkinkan insinyur melakukan ribuan iterasi virtual dalam waktu singkat.
• Manajemen Risiko Lebih Baik: Deteksi dini anomali membantu operator mengambil keputusan proaktif, bukan reaktif.

Sebagai contoh, sebuah perusahaan listrik yang menggunakan DT berbasis ML dapat merencanakan perawatan genset dengan akurat. Alih-alih menunggu mesin rusak, operator sudah memiliki notifikasi dini dari sistem. Ini berarti keandalan jaringan meningkat, dan pelanggan jarang mengalami gangguan listrik.

Kritik terhadap Pendekatan

Meski hasilnya menjanjikan, ada beberapa catatan kritis:

1. Interpretabilitas Model
   • Algoritme seperti neural networks memang akurat, tetapi sulit dijelaskan. Industri memerlukan explainable AI agar teknisi memahami alasan di balik prediksi.
2. Ketergantungan pada Data Berkualitas
   • Model ML sangat sensitif terhadap kualitas data. Jika SCADA menghasilkan data dengan noise atau hilang, performa prediksi menurun drastis.
3. Skalabilitas ke Sistem Besar
   • Framework yang berhasil pada genset mungkin menghadapi tantangan saat diterapkan pada turbin gas skala industri dengan kompleksitas lebih tinggi.
4. Kesiapan Infrastruktur
   • Tidak semua perusahaan energi memiliki infrastruktur data dan komputasi yang memadai. Investasi awal bisa menjadi hambatan adopsi.

Namun, catatan ini bukanlah kelemahan fatal, melainkan tantangan yang mendorong penelitian lanjutan.

Kesimpulan Utama

Disertasi Tucci (2022) membuktikan bahwa integrasi machine learning dalam digital twin dan condition-based maintenance dapat merevolusi cara industri energi mengelola sistem kompleks seperti turbomachinery dan genset. Dengan tiga studi kasus—clustering untuk desain, dimensionality reduction untuk eksperimen blade tip, dan CBM untuk genset—penelitian ini menegaskan peran ML sebagai game-changer dalam efisiensi, keandalan, dan keberlanjutan energi.

Temuan ini bukan hanya relevan di ranah akademik, tetapi juga memiliki dampak nyata: dari penghematan biaya jutaan euro hingga peningkatan keandalan pasokan energi.

Metadata

• Kategori: Teknologi Industri & Energi
• Tags SEO: Digital Twin, Machine Learning Energy Systems, Condition-Based Maintenance
• Sumber Paper: Gabriele Tucci (2022). Data-Driven Modeling of Turbomachinery and Energy Systems: A Machine Learning Framework for Digital Twin and Condition-Based Maintenance Applications. Università degli Studi di Firenze. DOI: 10.13130/tucci-gabriele_phd2022-05-16

 Mengapa Digital Twin Penting di Era Industri 4.0?

Dalam beberapa tahun terakhir, konsep Digital Twin (DT) semakin menjadi topik penting di dunia industri, terutama sejak era Industri 4.0 mulai diterapkan secara luas. Paper berjudul Using Digital Twin for Maintenance Applications in Manufacturing: State of the Art and Gap Analysis karya Panagiotis Aivaliotis, Konstantinos Georgoulias, dan Kosmas Alexopoulos membahas bagaimana DT digunakan dalam konteks pemeliharaan prediktif, apa saja hasil temuan riset terbaru, hingga gap yang masih harus diatasi agar teknologi ini dapat berjalan efektif di lapangan.

Secara definisi, Digital Twin adalah salinan digital dari objek fisik seperti mesin, pabrik, bahkan manusia, yang diperbarui secara otomatis melalui aliran data real-time dari sensor. Dengan adanya DT, perusahaan dapat melakukan pemeliharaan prediktif (predictive maintenance), yakni memprediksi kapan sebuah mesin akan rusak dan menjadwalkan perawatan sebelum kerusakan itu benar-benar terjadi.

Pendekatan ini jauh lebih unggul dibanding pemeliharaan reaktif (reactive maintenance), yang menunggu mesin rusak sebelum diperbaiki, maupun pemeliharaan preventif (preventive maintenance), yang dilakukan berdasarkan jadwal tanpa melihat kondisi aktual. Dengan DT, perusahaan dapat beralih ke strategi condition-based maintenance, di mana keputusan perawatan didasarkan pada data nyata.

Dalam konteks industri, penerapan DT untuk maintenance dapat menghasilkan manfaat nyata:

• Mengurangi downtime dengan mendeteksi masalah lebih awal.
• Menghemat biaya operasional karena perawatan dilakukan sesuai kebutuhan, bukan sekadar rutin.
• Meningkatkan keselamatan dengan memprediksi potensi bahaya sebelum terjadi.
• Meningkatkan umur mesin melalui simulasi kerusakan dan perencanaan perawatan yang lebih baik.

Paper ini tidak hanya merangkum penelitian-penelitian terkait DT dalam maintenance, tetapi juga mengidentifikasi gap atau kekurangan dalam riset yang ada serta memberikan usulan arah penelitian ke depan.

Struktur Digital Twin dalam Maintenance

Untuk memahami bagaimana DT bekerja, penulis paper menjelaskan bahwa model DT terdiri dari tiga elemen utama:

1. Objek fisik (physical object) – mesin atau peralatan nyata yang beroperasi di dunia nyata.
2. Objek virtual (virtual object) – model digital yang merepresentasikan kondisi fisik mesin.
3. Koneksi data (data connection) – saluran informasi yang menghubungkan mesin nyata dengan model digital secara real-time.

Ketiga elemen ini bekerja secara terpadu. Data dari sensor yang dipasang pada mesin dikirimkan ke model digital, sehingga model tersebut selalu mencerminkan kondisi aktual mesin. Sebaliknya, simulasi di dalam model digital dapat memprediksi bagaimana mesin akan berperilaku dalam berbagai skenario, termasuk potensi kerusakan yang mungkin terjadi.

Konsep kunci yang dibahas dalam paper adalah Remaining Useful Life (RUL), yaitu perkiraan sisa umur operasional suatu mesin atau komponennya. Dengan menghitung RUL menggunakan DT, perusahaan dapat merencanakan maintenance sebelum terjadi kerusakan fatal. Inilah yang membuat DT begitu relevan dalam strategi predictive maintenance.

Temuan Utama dari Literatur

Paper ini melakukan review literatur dari berbagai sumber, terutama database ScienceDirect dan Scopus, dengan periode publikasi antara tahun 2010 hingga 2017. Pemilihan periode ini penting karena konsep DT mulai berkembang signifikan setelah kemunculan Industri 4.0.

Beberapa temuan penting yang dirangkum adalah sebagai berikut:

1. Akar Historis Digital Twin

Konsep DT pertama kali diperkenalkan oleh NASA sebagai model probabilistik multi-fisika untuk kendaraan ruang angkasa. Tujuan awalnya adalah untuk memantau kondisi pesawat secara real-time selama misi. Dari sini, DT berkembang ke sektor lain seperti aerospace dan otomotif.

2. Aplikasi Virtual Commissioning (VC)

Salah satu aplikasi nyata dari DT adalah Virtual Commissioning (VC), yaitu metode pengujian sistem produksi melalui simulasi digital. Dengan VC, perusahaan dapat memangkas hingga 75% waktu commissioning, sehingga biaya peluncuran lini produksi baru juga lebih hemat.

3. Monitoring Kesehatan Mesin (Health Monitoring)

Penelitian menunjukkan bahwa DT memungkinkan pemantauan mesin CNC secara real-time. Data sensor dikirim ke cloud, lalu diproses untuk menghasilkan simulasi kondisi mesin di masa depan. Dengan cara ini, perusahaan dapat mengetahui kapan mesin akan membutuhkan maintenance.

4. Cloud-based Digital Twin

Beberapa penelitian mengusulkan penggunaan DT berbasis cloud. Data dari mesin dikumpulkan lalu dikirim ke database cloud, yang kemudian digunakan untuk memperbarui model simulasi digital. Dengan begitu, perhitungan RUL bisa dilakukan lebih akurat untuk jangka waktu yang lebih panjang.

5. Human-Robot Collaboration

DT juga digunakan untuk mengoptimalkan interaksi manusia dengan robot di lantai produksi. Dengan simulasi digital, potensi tabrakan atau bahaya bisa diantisipasi sebelum proses produksi berlangsung.

Gap Analysis: Kekurangan yang Masih Ada

Meskipun banyak penelitian menunjukkan potensi besar DT, paper ini menyoroti sejumlah gap yang masih perlu diperhatikan:

1. Tidak ada framework umum
   Setiap penelitian menggunakan pendekatan berbeda, sehingga belum ada metodologi standar yang bisa diterapkan secara universal di berbagai industri.
2. Kompleksitas mesin industri
   Pabrik memiliki banyak jenis mesin dengan desain berbeda. Membuat model DT untuk setiap mesin bisa sangat rumit dan mahal.
3. Kurangnya mekanisme sinkronisasi data
   Hingga kini belum ada metodologi baku yang dapat memastikan model digital selalu sinkron dengan kondisi fisik mesin.
4. Tantangan komputasi
   Model DT bisa menjadi sangat kompleks dan memerlukan kapasitas komputasi tinggi. Tanpa optimasi, proses simulasi bisa memakan waktu lama dan tidak efisien.
5. Kurangnya metodologi untuk update model
   Model DT seharusnya dapat diperbarui secara otomatis berdasarkan data sensor, namun mekanisme ini masih dalam tahap riset.

Dampak Praktis Bagi Industri

Dari hasil tinjauan literatur, ada beberapa dampak praktis yang langsung relevan bagi industri:

• Efisiensi Biaya: predictive maintenance dapat mengurangi biaya perawatan tak terduga. Misalnya, kerusakan mesin produksi otomotif yang menyebabkan downtime sehari bisa merugikan perusahaan hingga miliaran rupiah. Dengan DT, risiko ini bisa ditekan.
• Produktivitas Tinggi: karena downtime berkurang, kapasitas produksi meningkat.
• Keselamatan Kerja: DT mampu mendeteksi kerusakan sebelum menimbulkan bahaya fisik bagi operator.
• Keunggulan Kompetitif: perusahaan yang lebih dulu mengadopsi DT akan lebih unggul dibanding pesaing karena mampu mengoperasikan lini produksi dengan lebih stabil.

Kritik Terhadap Temuan Paper

Meski paper ini komprehensif, ada beberapa kritik yang perlu dicatat:

1. Kurang menyoroti aspek biaya implementasi
   Adopsi DT memerlukan investasi besar: sensor, perangkat IoT, software simulasi, hingga cloud computing. Bagi UMKM industri, biaya ini bisa menjadi penghalang.
2. Standarisasi minim
   Paper ini benar menyoroti gap standar, namun belum banyak menawarkan solusi praktis terkait bagaimana standar bisa dibangun bersama antara vendor, asosiasi industri, dan lembaga penelitian.
3. Kesiapan SDM
   Paper kurang membahas aspek human capital. Padahal, implementasi DT membutuhkan teknisi yang terampil membaca data, memahami simulasi, dan mengoperasikan sistem berbasis cloud.

Rekomendasi untuk Implementasi di Industri

Dari resensi ini, ada beberapa langkah aplikatif yang bisa diambil oleh perusahaan manufaktur:

• Mulai kecil, lalu skalakan
  Jangan langsung mencoba menerapkan DT pada seluruh pabrik. Mulailah dengan satu mesin kritis, lalu perbesar skala penerapan.
• Integrasi hybrid
  Gabungkan data sensor real-time dengan data historis agar prediksi lebih akurat.
• Investasi pada pelatihan SDM
  Tanpa operator dan teknisi yang terampil, DT hanya akan menjadi proyek gagal.
• Dorong kolaborasi lintas industri
  Vendor mesin, perusahaan manufaktur, dan akademisi harus bekerja sama membangun framework umum DT.
• Optimasi komputasi
  Gunakan metode pemodelan yang efisien agar simulasi DT tidak menghambat operasional.

Kesimpulan

Paper ini memberikan gambaran menyeluruh mengenai potensi Digital Twin untuk maintenance di industri manufaktur, mulai dari pemantauan kesehatan mesin hingga penghitungan Remaining Useful Life (RUL).

Manfaatnya sangat nyata: downtime berkurang, biaya lebih efisien, umur mesin lebih panjang, dan keselamatan meningkat. Namun, masih ada sejumlah tantangan besar, terutama terkait framework standar, kompleksitas mesin, sinkronisasi data, dan kesiapan SDM.

Bagi industri, adopsi DT adalah langkah strategis untuk memenangkan persaingan di era Industri 4.0. Namun implementasi harus dilakukan bertahap, terukur, dan disertai investasi pada teknologi serta manusia.

📖 Sumber Paper:
Aivaliotis, P., Georgoulias, K., & Alexopoulos, K. (2019). Using digital twin for maintenance applications in manufacturing: State of the Art and Gap analysis. 2019 IEEE International Conference on Engineering, Technology and Innovation (ICE/ITMC).
DOI: 10.1109/ICE.2019.8792618

Dalam dunia manufaktur modern, persoalan job-shop scheduling problem (JSSP) sudah lama menjadi salah satu tantangan klasik yang harus dipecahkan oleh para insinyur industri dan perencana produksi. JSSP pada dasarnya adalah permasalahan penjadwalan pekerjaan yang sangat kompleks karena setiap pekerjaan memiliki urutan operasi berbeda, setiap mesin memiliki keterbatasan kapasitas, dan selalu ada ketidakpastian terkait waktu pemrosesan maupun kondisi peralatan. Jika penjadwalan dilakukan dengan cara tradisional, risiko keterlambatan, inefisiensi penggunaan mesin, dan meningkatnya biaya produksi bisa sangat besar.

Dalam tesis berjudul Application of Digital-Twin Technology for the Job-Shop Scheduling Problem karya Vahid Moradi (2022), penulis menghadirkan pendekatan baru yang mengombinasikan Digital Twin (DT) dengan Machine Learning (ML) untuk memberikan solusi praktis pada JSSP. Digital Twin di sini dipahami sebagai representasi virtual yang selalu diperbarui dari sistem produksi nyata sehingga bisa digunakan untuk simulasi, prediksi, serta pengambilan keputusan berbasis data real-time. Dengan demikian, penelitian ini tidak hanya relevan secara akademis, tetapi juga memiliki potensi penerapan langsung pada dunia industri.

Resensi ini bertujuan untuk memberikan tinjauan menyeluruh atas isi tesis tersebut, memaparkan data dan hasil penelitian, serta menambahkan analisis interpretatif tentang dampaknya pada dunia nyata. Dengan pendekatan praktis dan aplikatif, pembahasan ini diharapkan bisa menjawab pertanyaan penting: sejauh mana Digital Twin benar-benar bisa membantu industri manufaktur meningkatkan efisiensi produksi, menekan biaya, dan mengurangi downtime mesin?

Latar Belakang: Dari JSSP ke Digital Twin

Job-Shop Scheduling Problem

Job-shop scheduling problem (JSSP) adalah persoalan penjadwalan di mana sejumlah pekerjaan harus dialokasikan pada sejumlah mesin yang berbeda, dengan setiap pekerjaan memiliki urutan operasi tertentu. Permasalahan ini dikategorikan sebagai NP-hard problem, artinya tingkat kompleksitasnya meningkat secara eksponensial seiring bertambahnya jumlah pekerjaan dan mesin.

Dalam praktik industri, penyelesaian JSSP biasanya menggunakan dua pendekatan besar:

1. Mathematical Optimization (Optimasi Matematis): menggunakan metode heuristik atau meta-heuristik seperti tabu search, genetic algorithm, dan simulated annealing. Namun metode ini sering kali membutuhkan simplifikasi besar agar bisa dihitung, sehingga akurasinya menurun.
2. Simulation-Based Optimization (Optimasi Berbasis Simulasi): menggunakan software simulasi seperti Arena, AnyLogic, atau Simulink untuk meniru dinamika shop floor. Kelebihannya adalah bisa menangani sistem yang lebih realistis, termasuk variabilitas dan kegagalan mesin.

Kendati demikian, simulation-based optimization tradisional tetap menghadapi tantangan besar. Data yang digunakan umumnya bersifat statis, tidak diperbarui secara real-time, dan sulit untuk menyesuaikan diri terhadap perubahan mendadak di lapangan. Di sinilah Digital Twin hadir sebagai jawaban.

Digital Twin: Jembatan Dunia Nyata dan Virtual

Digital Twin (DT) adalah representasi virtual dari sistem fisik yang terhubung secara langsung dengan data real-time dari shop floor melalui sensor, Industrial Internet of Things (IIoT), dan Cyber-Physical Systems (CPS). Dengan DT, setiap perubahan di dunia nyata langsung tercermin di model virtual, dan sebaliknya, hasil simulasi di dunia virtual dapat langsung diimplementasikan untuk mengatur operasi di dunia nyata.

Moradi menekankan bahwa keunggulan DT dibandingkan simulasi tradisional ada pada tiga hal utama:

• Real-time data accessibility: data produksi yang ditangkap sensor bisa langsung diproses untuk memperbarui simulasi.
• Dynamic scheduling: jadwal bisa disesuaikan secara otomatis begitu ada gangguan seperti kegagalan mesin atau perubahan permintaan.
• Cloud-based computation: kekuatan komputasi awan memungkinkan analisis cepat dan respon instan terhadap kondisi tidak terduga.

Dengan kata lain, Digital Twin mengubah simulasi statis menjadi ekosistem dinamis yang responsif, pintar, dan adaptif.

Tujuan dan Kontribusi Penelitian Moradi

Penelitian ini secara khusus berfokus pada case study di stamping shop perusahaan American Automotive Limited (AAL). Beberapa kontribusi penting yang ditawarkan tesis ini antara lain:

• Mengembangkan model simulasi job-shop berbasis Digital Twin dengan software Arena.
• Menggunakan machine learning (ML) untuk membuat model prediksi kegagalan mesin, dengan data sensor seperti temperatur, kecepatan rotasi, torsi, dan keausan alat.
• Mengimplementasikan Condition-Based Maintenance (CBM) berdasarkan hasil prediksi kegagalan, sehingga jadwal pemeliharaan menjadi lebih efisien.
• Membandingkan hasil DT dengan simulasi tradisional, khususnya terkait keakuratan prediksi, efisiensi jadwal, dan pengurangan downtime.

Dengan pendekatan ini, tesis Moradi tidak hanya membuktikan secara konseptual bahwa DT bisa diterapkan untuk JSSP, tetapi juga menunjukkan keunggulannya melalui data dan hasil konkret.

Metodologi: Dari Data Sensor ke Prediksi dan Optimasi

Data dan Asumsi

Dataset yang digunakan berisi 10.000 catatan kondisi mesin stamping, dengan variabel utama seperti:

• Air temperature (K)
• Process temperature (K)
• Rotational speed (rpm)
• Torque (Nm)
• Tool wear (minutes)
  Selain itu, setiap catatan diberi label status mesin: normal atau failure.

Asumsi utama penelitian adalah bahwa data dikumpulkan setiap 30 menit, sehingga mewakili sekitar 5.000 jam kerja mesin. Dari data ini, tercatat 339 kali kegagalan mesin (sekitar 3,39% dari total data), dengan penyebab utama:

• Heat Dissipation Failure (HDF): 115 kali
• Tool Wear Failure (TWF): 46 kali
• Power Failure (PWF): 95 kali
• Overstrain Failure (OSF): 98 kali

Algoritma Machine Learning

Moradi membandingkan dua teknik utama: Decision Tree (DT) dan Random Forest (RF).

• Decision Tree: lebih sederhana, mudah diinterpretasikan, tetapi cenderung overfitting.
• Random Forest: ensemble dari banyak decision tree, lebih stabil, dan biasanya memberikan akurasi lebih tinggi.

Proses yang dilakukan meliputi:

1. Data cleaning untuk menghapus outlier.
2. Splitting dataset menjadi training set (75%) dan test set (25%).
3. Melatih model ML dengan data training.
4. Mengukur akurasi dengan confusion matrix dan skor akurasi.

Integrasi dengan Digital Twin

Hasil model prediksi kegagalan kemudian dihubungkan dengan simulasi job scheduling di Arena. Dengan demikian, jadwal produksi tidak hanya mempertimbangkan permintaan dan kapasitas mesin, tetapi juga probabilitas kegagalan mesin berdasarkan data real-time.

Hasil Penelitian

Akurasi Model Prediksi

• Decision Tree Classifier: akurasi sekitar 88%, tetapi rawan bias terhadap dataset tertentu.
• Random Forest Classifier: akurasi meningkat hingga 93%, lebih stabil untuk data variatif.

➡️ Analisis praktis: dengan tingkat akurasi 90%+, perusahaan dapat memprediksi potensi kegagalan mesin jauh sebelum terjadi, sehingga memberi waktu bagi tim maintenance untuk bertindak preventif.

Optimasi Job-Shop Scheduling

Integrasi DT + ML memberikan peningkatan efisiensi:

• Makespan berkurang 15–20% dibanding metode simulasi tradisional.
• Jadwal lebih fleksibel dan cepat beradaptasi terhadap perubahan permintaan atau gangguan.

➡️ Dampak nyata: dalam industri otomotif dengan ribuan job per hari, pengurangan makespan 20% bisa setara peningkatan kapasitas produksi tanpa investasi mesin baru.

Condition-Based Maintenance (CBM)

Dengan CBM berbasis prediksi ML, downtime mesin berkurang hingga 18% dibanding preventive maintenance biasa.

• Preventive maintenance cenderung “terlalu sering” mengganti suku cadang, sedangkan CBM hanya dilakukan saat probabilitas kegagalan meningkat.
• Hal ini menghemat biaya pemeliharaan sekaligus memperpanjang umur mesin.

➡️ Relevansi: industri dengan mesin bernilai miliaran (misalnya manufaktur pesawat atau otomotif) bisa menghemat jutaan dolar dengan pengurangan downtime.

Kelebihan dan Keterbatasan Penelitian

Kelebihan

• Memberikan bukti konkret bahwa DT + ML meningkatkan akurasi prediksi dan efisiensi penjadwalan.
• Menunjukkan cara praktis mengintegrasikan data sensor dengan simulasi Arena.
• Menawarkan model Condition-Based Maintenance yang relevan dengan kebutuhan industri modern.

Keterbatasan

• Model diuji pada satu shop floor (stamping shop), sehingga skalabilitas untuk sistem manufaktur lebih kompleks masih dipertanyakan.
• Dataset historis yang digunakan hanya 10.000 record, relatif kecil dibanding big data industri nyata.
• Biaya implementasi (sensor, infrastruktur cloud, integrasi sistem) tidak dibahas secara rinci.
• Faktor manusia (kesiapan tenaga kerja, pelatihan digital) juga tidak masuk dalam analisis.

Implikasi Praktis untuk Dunia Nyata

Hasil penelitian Moradi sangat relevan untuk berbagai sektor industri:

1. Industri Otomotif: bisa meningkatkan throughput produksi body panel tanpa menambah mesin baru.
2. Industri Elektronik: mengurangi bottleneck di lini perakitan akibat kegagalan mesin soldering atau stamping kecil.
3. Industri Tekstil & FMCG: prediksi downtime membantu menghindari keterlambatan besar dalam memenuhi permintaan musiman.
4. UMKM Manufaktur: walaupun paper fokus pada industri besar, konsep DT cloud-based bisa diadaptasi skala kecil dengan biaya lebih rendah.

Analisis Kritis dan Opini

Menurut saya, penelitian Moradi menjadi salah satu contoh nyata bagaimana konsep Industry 4.0 bisa diterapkan pada permasalahan klasik manufaktur. Keunggulannya jelas terlihat dalam hal akurasi, efisiensi, dan pengurangan downtime. Namun, agar lebih aplikatif, ada beberapa aspek yang seharusnya diperluas:

• Studi Ekonomi: seberapa besar ROI dari implementasi DT dibanding biaya awalnya.
• Faktor SDM: implementasi DT tidak hanya soal teknologi, tetapi juga kesiapan pekerja lapangan.
• Integrasi Skala Besar: pengujian sebaiknya dilakukan pada shop floor dengan ribuan mesin agar skalabilitas terbukti.

Meskipun demikian, karya ini sudah memberikan fondasi kuat. Jika diibaratkan, tesis ini adalah “proof of concept” yang berhasil membuktikan bahwa Digital Twin bukan hanya jargon teknologi, tetapi benar-benar membawa perubahan nyata.

Kesimpulan

Tesis Application of Digital-Twin Technology for the Job-Shop Scheduling Problem oleh Vahid Moradi (2022) menunjukkan bahwa:

• Digital Twin yang dipadukan dengan Machine Learning mampu meningkatkan akurasi prediksi kegagalan mesin hingga lebih dari 90%.
• Makespan dapat ditekan 15–20%, yang berarti peningkatan kapasitas produksi signifikan.
• Condition-Based Maintenance (CBM) berbasis prediksi bisa mengurangi downtime hingga 18%.

Penelitian ini memang masih terbatas dalam skala uji, tetapi potensinya sangat besar untuk industri manufaktur global. Dengan pengembangan lebih lanjut, Digital Twin bisa menjadi tulang punggung smart manufacturing di era Industry 4.0.

Sumber Paper

Moradi, V. (2022). Application of Digital-Twin Technology for the Job-Shop Scheduling Problem. Master of Applied Science in Industrial Engineering, Concordia University, Montreal, Quebec.
🔗 Tautan resmi University of Windsor

 Transformasi Industri 4.0 dan Peran Digital Twin

Dalam era Industry 4.0, konsep digital twin atau kembar digital menjadi salah satu pilar utama transformasi industri. Digital twin adalah representasi virtual dari sistem fisik yang mampu mereplikasi perilaku, kondisi, dan status real-time. Dengan menghubungkan sistem fisik ke dunia digital melalui sensor dan algoritma, digital twin memungkinkan pemantauan kondisi (condition monitoring), simulasi perilaku, hingga prediksi kegagalan (predictive maintenance).

Paper berjudul “Design of a Digital Twin for an Industrial Vacuum Process: A Predictive Maintenance Approach” karya Mohammad F. Yakhni, Houssem Hosni, Sebastien Cauet, Anas Sakout, Erik Etien, Laurent Rambault, Hassan Assoum, dan Mohamed El-Gohary, dipublikasikan di jurnal Machines tahun 2022, menghadirkan implementasi nyata digital twin dalam sistem ventilasi industri.

Kontribusi penelitian ini ada pada pengembangan model digital twin untuk sistem motor–kipas industri dengan pendekatan Motor Current Signature Analysis (MCSA). Model ini dikombinasikan dengan simulasi Matlab/Simulink dan protokol diagnostik berbasis statistik untuk mendeteksi kerusakan komponen secara dini. Hasilnya menunjukkan bahwa metode ini efektif, murah, dan aplikatif untuk kondisi industri nyata.

Latar Belakang: Mengapa Sistem Ventilasi Butuh Predictive Maintenance?

Sistem ventilasi di industri memiliki peran vital untuk menjaga kualitas udara, keselamatan pekerja, dan kelancaran proses produksi. Kerusakan mendadak pada motor, kipas, atau sabuk transmisi bisa menyebabkan:

• Downtime produksi → terhentinya jalur produksi secara tiba-tiba.
• Kerugian finansial → biaya perbaikan darurat lebih mahal dibanding pemeliharaan terencana.
• Risiko keselamatan → debu kayu atau partikel industri lain bisa membahayakan kesehatan pekerja bila ventilasi gagal.

Kebanyakan metode pemantauan kondisi (condition monitoring) saat ini menggunakan analisis getaran atau sensor akustik. Meski akurat, metode tersebut mahal karena membutuhkan sensor tambahan khusus. Di sinilah MCSA menjadi solusi: cukup memanfaatkan sensor arus dan tegangan yang sudah ada, sehingga lebih hemat dan praktis.

Studi Kasus: Instalasi Ventilasi di MTC Poitiers

Penelitian dilakukan pada sistem ventilasi di Municipal Technical Center (MTC) Poitiers, Prancis. Instalasi ini terdiri dari 11 mesin, dengan 4 mesin beroperasi bersamaan. Ventilasi menggunakan kipas besar yang digerakkan oleh motor induksi (Induction Motor/IM) melalui puli, sabuk transmisi, dan poros.

Spesifikasi motor induksi yang digunakan:

• Tegangan suplai: 400 V, tiga fase, delta
• Frekuensi: 50 Hz
• Arus nominal: 51,6 A
• Daya: 30 kW
• Faktor daya (cos φ): 0,9
• Kecepatan nominal: 2950 rpm

Sistem ini rentan terhadap berbagai kerusakan, di antaranya:

• Stator faults (gangguan pada lilitan motor).
• Rotor bar broken (batang rotor patah).
• Bearing faults (kerusakan bantalan).
• Shaft misalignment (ketidakselarasan poros).
• Fan imbalance (ketidakseimbangan kipas).
• Belt defects (sabuk transmisi longgar/aus).

Kerusakan ini menimbulkan pola sinyal arus yang khas, yang bisa dianalisis dengan MCSA.

Tahap Desain Digital Twin

1. Model Matematis Sistem

Sistem mekanis dibagi menjadi tiga massa utama:

• Pulley 1 (terhubung langsung ke motor).
• Pulley 2 (terhubung ke kipas melalui sabuk).
• Fan (kipas utama).

Menggunakan hukum Newton II dan free-body diagram, diperoleh tiga persamaan diferensial yang menggambarkan dinamika rotasi tiap massa. Parameter penting meliputi momen inersia, torsi elektromagnetik motor (Te), torsi beban (Ta), kekakuan sabuk (Kb), kekakuan poros (Ks), dan koefisien gesekan bantalan (Br).

2. Definisi Gangguan Sistem

Gangguan dimodelkan sebagai torsi tambahan sinusoidal (Td) dengan frekuensi spesifik sesuai jenis kerusakan. Contoh:

• Bearing inner ring fault: 0.6 × nb × fr
• Belt defect: 2π × Rp1 × fr/L
• Fan imbalance: Nb × fr
• Misalignment: 2 × fr

Dengan cara ini, model bisa “meniru” perilaku kerusakan nyata.

3. Simulasi Matlab/Simulink

Model matematis kemudian direalisasikan di Matlab/Simulink R2021b. Simulasi menghasilkan digital twin yang menerima input arus/tegangan aktual lalu membandingkannya dengan model. Frekuensi gangguan diintegrasikan agar hasil simulasi mendekati data nyata.

Analisis Elektrik: Motor Current Signature Analysis (MCSA)

Apa Itu MCSA?

Motor Current Signature Analysis adalah metode diagnosis kondisi motor dengan menganalisis sinyal arus stator. Cacat mekanis maupun listrik menghasilkan modulasi amplitudo (AM) atau modulasi fase (PM) pada arus. Dengan memeriksa spektrum arus, cacat dapat diidentifikasi.

Concordia Transform

Transformasi ini menggabungkan tiga arus fase menjadi dua komponen ortogonal (iα dan iβ). Hasilnya kemudian dianalisis menggunakan Fast Fourier Transform (FFT) untuk mendeteksi frekuensi cacat.

Relevansi Praktis

Keunggulan MCSA:

• Murah → tidak perlu sensor tambahan.
• Efisien → bisa mendeteksi cacat listrik maupun mekanis.
• Real-time → bisa diterapkan langsung di sistem produksi.

Contoh aplikasinya:

• Pabrik kayu → mendeteksi sabuk transmisi longgar.
• Industri semen → memonitor kipas pendingin besar.
• Otomotif → mendeteksi rotor bar patah di jalur produksi.

Protokol Diagnostik: Pendekatan Statistik

Untuk membedakan sinyal cacat dari noise, peneliti mengusulkan pendekatan statistik:

1. Tahap Pembelajaran
   • Rekam data normal sebanyak 30 sampel (masing-masing 60 detik).
   • Hitung rata-rata (µ) dan standar deviasi (σ) dari sinyal.
2. Tahap Diagnostik
   • Hitung signature defect (Sdefect).
   • Normalisasi dengan persamaan statistik.
   • Bandingkan dengan ambang batas (misalnya 2.33 untuk probabilitas 1%). Jika terlampaui, alarm dinyalakan.

Kelebihan: sederhana, robust terhadap noise, dan cocok untuk kecepatan tetap. Kekurangan: kurang fleksibel untuk sistem dengan kecepatan variabel.

Hasil dan Diskusi

Validasi Simulasi vs Data Nyata

• Arus simulasi vs arus nyata menunjukkan RMS error awal 10.1551.
• Setelah penyesuaian frekuensi cacat, error turun menjadi 5.232.
• FFT dari arus nyata menunjukkan frekuensi:
  • 1.39 Hz → rotor bar defect.
  • 10.68 Hz → belt defect.
  • 50 Hz → supply listrik.
  • 100 Hz → misalignment.

Efektivitas Digital Twin

• Digital twin mampu meniru pola cacat nyata.
• Protokol statistik berhasil mendeteksi cacat sabuk transmisi dengan tingkat akurasi tinggi.
• Histogram distribusi signature menunjukkan pemisahan jelas antara kondisi normal dan cacat.

Analisis Kritis dan Opini

Kekuatan Penelitian

• Praktis: diuji langsung pada instalasi industri nyata.
• Hemat biaya: hanya menggunakan sensor arus/tegangan yang sudah ada.
• Relevan: mendukung konsep Industry 4.0 dengan predictive maintenance.

Kelemahan

• Terbatas pada kecepatan tetap → padahal banyak motor industri memakai Variable Frequency Drive.
• Belum menggunakan kecerdasan buatan (AI/ML) → padahal AI bisa meningkatkan akurasi diagnosis.
• Validasi terbatas → hanya di satu lokasi (MTC Poitiers). Untuk generalisasi, perlu diuji di berbagai industri.

Opini Aplikatif

Jika penelitian ini dikembangkan dengan AI, maka sistem bisa:

• Memprediksi umur komponen (Remaining Useful Life/RUL).
• Mengadaptasi pada variasi beban/kecepatan.
• Mengurangi false alarm, yang bisa jadi masalah besar di industri.

Relevansi Dunia Nyata

Teknologi digital twin seperti ini bisa diterapkan di berbagai industri:

• Manufaktur kayu & tekstil → mencegah downtime karena sabuk/kipas rusak.
• Energi & utilitas → mendeteksi kerusakan bearing pada kipas pendingin turbin.
• Semen & baja → memonitor sistem ventilasi pabrik yang bekerja 24/7.
• Otomotif & elektronik → menjaga stabilitas motor jalur perakitan.

Keuntungan praktisnya:

• Penghematan biaya pemeliharaan.
• Pengurangan downtime.
• Peningkatan keselamatan dan keandalan sistem.

Kesimpulan

Paper ini menunjukkan bagaimana digital twin dapat dimanfaatkan untuk predictive maintenance pada sistem ventilasi industri. Dengan menggabungkan model matematis, simulasi Simulink, analisis arus motor (MCSA), serta protokol statistik, peneliti berhasil membangun sistem diagnosis yang murah, praktis, dan efektif.

Namun, tantangan masih ada: adaptasi untuk kecepatan variabel, integrasi kecerdasan buatan, serta validasi lintas industri. Meski begitu, penelitian ini menjadi fondasi kuat untuk mendorong industri mengadopsi digital twin sebagai bagian dari strategi pemeliharaan modern.

Digital twin bukan lagi sekadar konsep futuristik, melainkan kebutuhan nyata di era Industry 4.0 untuk menjaga efisiensi, keandalan, dan keberlanjutan operasi industri.

Sumber

Yakhni, M.F.; Hosni, H.; Cauet, S.; Sakout, A.; Etien, E.; Rambault, L.; Assoum, H.; El-Gohary, M. (2022). Design of a Digital Twin for an Industrial Vacuum Process: A Predictive Maintenance Approach. Machines, 10(8), 686. https://doi.org/10.3390/machines10080686