Sistem Pintar Deteksi Cacat Permukaan Berbasis Faster R-CNN dan Cloud-Edge Computing

Pendahuluan: Ketika Kecerdasan Buatan Bertemu Kebutuhan Industri

Dalam industri manufaktur, kualitas permukaan produk adalah salah satu indikator utama keandalan produk akhir. Namun, pendekatan tradisional berbasis tenaga manusia atau sistem visi konvensional terbukti tidak memadai, terutama dalam skala besar dan kondisi geometris yang rumit. Inilah celah yang diisi oleh pendekatan revolusioner dari Wang et al. (2020): integrasi teknologi Faster R-CNN dengan lingkungan cloud-edge computing untuk membentuk sistem inspeksi permukaan yang cerdas, cepat, dan adaptif.

Latar Belakang: Mengapa Dibutuhkan Inovasi?

Beberapa tantangan utama yang dihadapi sistem inspeksi permukaan konvensional antara lain:

• Keterbatasan manusia: deteksi manual lambat, tidak stabil secara performa, dan tidak skalabel.
• Kekakuan metode klasik: metode berbasis fitur visual (edge detection, histogram, thresholding) hanya efektif di kasus terbatas.
• Tantangan geometri kompleks: sebagian besar model CNN biasa kesulitan mengenali cacat pada produk berbentuk kompleks karena tidak bisa secara tepat mengisolasi area cacat kecil.

Wang dan tim menjawab semua tantangan ini dengan sistem inspeksi permukaan pintar (Smart Surface Inspection System/SSIS) berbasis algoritma Faster R-CNN dan arsitektur cloud-edge.

Arsitektur Sistem: Menghubungkan Industri, Teknologi, dan Layanan

SSIS bukan hanya alat deteksi, melainkan sebuah Smart Product-Service System (SPSS) yang mengintegrasikan:

• Produk Pintar & Terhubung (SCP): perangkat keras seperti kamera CCD, sumber cahaya, dan sistem kontrol posisi.
• Layanan Pintar (SS): penyediaan model deteksi berbasis cloud dan pembaruan otomatis berdasarkan data terkini.
• Lingkungan Pintar & Terhubung (SCE): edge node sebagai titik pemrosesan lokal, didukung oleh server cloud pusat.

Proses Kerja

1. Gambar dari jalur produksi ditangkap dan diproses secara lokal di edge node.
2. Model CNN dijalankan untuk mendeteksi cacat.
3. Jika presisi model menurun, sistem mengirim peringatan ke penyedia layanan.
4. Model diperbarui secara otomatis menggunakan data baru dan didistribusikan kembali.

Teknologi Inti: Faster R-CNN dengan ResNet101

Mengapa Faster R-CNN?

Faster R-CNN merupakan algoritma dua tahap yang menggabungkan Region Proposal Network (RPN) dan klasifikasi objek, menjadikannya sangat cocok untuk deteksi objek kecil dan kompleks—sebuah kebutuhan penting dalam industri manufaktur presisi tinggi.

Mekanisme Deteksi

• Gambar dibagi menjadi blok 300x300 pixel untuk menjaga detail kecil.
• Proses deteksi dilakukan secara bertahap: ekstraksi fitur (ResNet101), RPN, ROI pooling, dan klasifikasi.
• Model dilatih menggunakan kombinasi data industri dan dataset umum (MS COCO).

Studi Kasus: Deteksi Cacat pada Baling-Baling Turbo

Latar Belakang

Baling-baling turbo dalam mesin otomotif bekerja pada kecepatan tinggi, sehingga cacat kecil sekalipun bisa berdampak fatal. Geometrinya yang rumit menjadi tantangan tersendiri bagi deteksi otomatis.

Dataset

• 81 gambar baling-baling dengan total 156 cacat.
• 64 gambar untuk pelatihan dan 17 gambar untuk verifikasi.

Hasil:

• Faster R-CNN + ResNet101: Precision 81%, Recall 72%
• SSD + Inception: Precision 93%, Recall hanya 36% (banyak cacat lolos)
• SSD + MobileNet: Recall 72%, tapi precision hanya 33% (banyak kesalahan)

Kesimpulan: Faster R-CNN memberikan keseimbangan terbaik antara akurasi dan efisiensi, menunjukkan performa superior dalam kondisi kompleks.

Performa dan Kecepatan: Cloud-Edge Unggul dari Embedded System

Salah satu aspek kunci adalah kecepatan pemrosesan. Penelitian membandingkan tiga pendekatan:

• Embedded system (Raspberry Pi): waktu lambat, tidak layak untuk industri real-time.
• Cloud computing (Xuelang Cloud): akurat namun terkendala latency jaringan.
• Edge computing (GTX TITAN X GPU): waktu proses tercepat, efisien, dan stabil.

Hasil:

Edge computing 10x lebih cepat dibanding embedded system dan lebih stabil dibanding cloud murni, terutama karena tidak terganggu oleh jaringan.

Analisis Tambahan: Tantangan dan Arah Masa Depan

Meskipun sistem menunjukkan potensi besar, ada beberapa tantangan praktis yang masih terbuka:

1. Kekurangan data cacat: Cacat nyata sulit dikumpulkan karena jarangnya kejadian.
2. Ukuran & kontras cacat: Cacat terlalu kecil atau samar bisa tertukar dengan kotoran atau debu.
3. Label yang subjektif: Definisi "cacat" bisa berbeda antar-inspektur, memengaruhi pelabelan dan pelatihan model.

Untuk itu, integrasi teknik few-shot learning atau self-supervised learning di masa depan dapat menjadi solusi jangka panjang.

Dampak Nyata bagi Industri

SSIS memungkinkan pabrik:

• Mengurangi ketergantungan pada inspektur manual.
• Mendeteksi cacat dengan akurasi tinggi dalam waktu singkat.
• Melatih ulang sistem secara otomatis seiring akumulasi data baru.
• Menyediakan sistem fleksibel dan kolaboratif antara pengguna, penyedia produk, dan penyedia layanan.

Dengan pendekatan ini, perusahaan manufaktur tidak hanya meningkatkan kualitas tetapi juga menghemat waktu, biaya, dan tenaga kerja.

Komparasi dengan Riset Sebelumnya

Berbeda dari pendekatan YOLO atau SSD yang mengutamakan kecepatan, pendekatan dua tahap seperti Faster R-CNN memang lebih berat namun lebih presisi—terutama penting dalam konteks manufaktur di mana kesalahan sekecil apa pun tidak bisa ditoleransi.

Beberapa riset serupa:

• Ren et al. (2017) memperkenalkan Faster R-CNN untuk general object detection.
• Park et al. (2016) mengembangkan sistem inspeksi tekstur berbasis machine learning, tapi belum mengintegrasikan layanan cerdas.

Wang dkk berhasil menjembatani kebutuhan dunia nyata (fleksibilitas, akurasi, kecepatan) dengan solusi teknologi terkini.

Kesimpulan: Masa Depan Inspeksi Ada di Tangan Sistem Pintar

Penelitian ini tidak sekadar mengusulkan metode baru, tetapi menyodorkan paradigma baru untuk inspeksi industri yang adaptif, terdesentralisasi, dan berbasis layanan. Dengan arsitektur SSIS yang memadukan teknologi cloud, edge, dan deep learning, deteksi cacat bukan lagi beban, tetapi aset untuk keunggulan kompetitif.

Sumber:

Wang, Y., Liu, M., Zheng, P., Yang, H., & Zou, J. (2020). A Smart Surface Inspection System Using Faster R-CNN in Cloud-Edge Computing Environment. Advanced Engineering Informatics, 45, 101037.