Pendahuluan

Di era Industry 4.0, dunia manufaktur mengalami transformasi besar melalui digitalisasi. Salah satu inovasi yang mencuri perhatian adalah pemanfaatan machine learning (ML) dan deep learning (DL) untuk predictive quality, yaitu pendekatan prediktif terhadap kualitas produk berbasis data manufaktur. Paper ini mereview secara sistematis perkembangan riset di bidang tersebut selama satu dekade terakhir, yakni 2012 hingga 2021.

Riset ini relevan karena kebutuhan industri untuk memprediksi kualitas secara akurat semakin tinggi. Hal ini didorong oleh peningkatan permintaan konsumen atas produk berkualitas tinggi dan minim cacat. Teknologi ML dan DL diharapkan mampu membantu industri melakukan kontrol kualitas secara real-time, mengurangi cacat produksi, hingga meningkatkan efisiensi operasional.

 

Ruang Lingkup dan Metodologi Studi

Tercan dan Meisen melakukan telaah atas 81 publikasi ilmiah yang membahas predictive quality dalam ranah manufaktur. Mereka mengklasifikasikan penelitian tersebut berdasarkan:

1. Proses manufaktur yang diteliti
2. Karakteristik data yang digunakan
3. Model ML dan DL yang diterapkan

Mereka merumuskan tiga pertanyaan utama yang menjadi kerangka studi:

• Apa saja proses manufaktur dan kriteria kualitas yang telah dikaji?
• Seperti apa karakteristik data yang digunakan?
• Model supervised learning apa yang paling umum digunakan?

Pendekatan sistematis ini mengisi celah dalam literatur karena hingga saat ini belum banyak ulasan komprehensif yang mengupas prediksi kualitas berbasis ML/DL secara mendalam.

 

Temuan Utama dan Analisis

1. Ragam Proses Manufaktur yang Diteliti

Berbagai proses manufaktur telah dikaji, mulai dari cutting (pemotongan) hingga additive manufacturing. Dari total publikasi yang direview, mayoritas riset fokus pada proses cutting (32%), seperti turning, drilling, dan milling. Fokus utamanya adalah memprediksi surface roughness (kekasaran permukaan), misalnya dalam proses laser cutting dan turning. Misalnya, penelitian oleh Tercan et al. (2017) yang memanfaatkan ML untuk memprediksi kekasaran permukaan pada laser cutting.

Proses joining, khususnya pengelasan, juga populer. Contohnya, penggunaan CNN untuk mendeteksi cacat las pada proses spot welding (Wang et al., 2021).

Studi Kasus Industri:

Perusahaan otomotif seperti BMW menggunakan sistem berbasis CNN untuk mendeteksi cacat pada bodi mobil selama proses spot welding. Implementasi ini meningkatkan first-pass yield hingga 98%.

2. Karakteristik Data dan Sumbernya

Prediksi kualitas mengandalkan data dari dua sumber utama:

• Data Eksperimental: 65% penelitian mengumpulkan data dari eksperimen terkendali.
• Data Produksi Nyata: 14% penelitian menggunakan data dari proses produksi yang sedang berjalan.

Sebagian kecil lainnya menggunakan simulasi dan dataset benchmark seperti GRIMA X-Ray (Ferguson et al., 2018). Tantangan utama adalah kuantitas dan kualitas data. Banyak dataset eksperimen hanya terdiri dari ratusan sampel, yang membatasi akurasi model.

Tren Industri:

Penggunaan digital twin untuk menghasilkan data simulasi dalam skala besar kian populer. Misalnya, Siemens mengembangkan digital twin untuk simulasi additive manufacturing, memungkinkan mereka mengurangi waktu trial and error hingga 30%.

3. Jenis Data Input

Data input untuk model ML/DL umumnya berupa:

• Parameter proses (misal: kecepatan potong, suhu)
• Data sensor (getaran, akustik)
• Data gambar (kamera inspeksi, X-ray)

Pada proses seperti metal rolling, kamera lini digunakan untuk mendeteksi cacat permukaan secara otomatis melalui CNN.

Analisis:

Dalam praktik industri, penggabungan data multi-modal—gabungan antara sensor dan citra visual—semakin banyak diadopsi. Hal ini mencerminkan kebutuhan akan sistem prediksi yang lebih akurat dan fleksibel.

 

Model Machine Learning dan Deep Learning yang Digunakan

Mayoritas publikasi (74%) menggunakan model Multilayer Perceptron (MLP) karena kemudahannya dalam menangani berbagai jenis data numerik. Sementara itu, Convolutional Neural Networks (CNN) digunakan untuk analisis data gambar, seperti dalam inspeksi otomatis pada additive manufacturing.

Perbandingan Model:

• MLP unggul pada dataset kecil dengan fitur numerik sederhana.
• CNN sangat efektif pada tugas klasifikasi berbasis gambar.
• LSTM dan Transformers mulai digunakan untuk data time-series, terutama pada proses manufaktur berbasis aliran kontinu.

Kritik:

Meski CNN mendominasi riset terkini, pendekatan ini kerap membutuhkan data dalam jumlah besar serta komputasi tinggi, yang belum tentu feasible bagi industri skala kecil-menengah.

 

Tantangan dan Kesenjangan Penelitian

1. Kurangnya Generalisasi Model: Banyak model hanya diterapkan pada satu proses atau domain. Belum ada pendekatan transfer learning yang kuat untuk lintas proses manufaktur.
2. Keterbatasan Data Nyata: Ketersediaan dataset industri yang lengkap dan akurat masih minim karena isu privasi dan keamanan data.
3. Keterbatasan Interpretabilitas: Model DL, terutama CNN dan LSTM, sering disebut sebagai black-box. Industri membutuhkan sistem yang explainable agar keputusannya bisa diverifikasi.

 

Rekomendasi dan Arah Riset Masa Depan

1. Adopsi Explainable AI (XAI)
   Penelitian masa depan perlu fokus pada transparansi model ML/DL. Implementasi XAI dapat membantu operator produksi memahami alasan prediksi cacat produk.
2. Transfer Learning dan Federated Learning
   Transfer learning memungkinkan model yang dilatih pada satu domain diterapkan ke domain lain dengan data terbatas. Federated learning memungkinkan pelatihan model tanpa harus memindahkan data industri, menjaga privasi sekaligus memperkaya kualitas model.
3. Pengembangan Dataset Terstandarisasi
   Komunitas akademik dan industri perlu berkolaborasi menciptakan dataset benchmark terbuka, mirip ImageNet, yang khusus untuk industri manufaktur.

 

Dampak Praktis Bagi Industri

Efisiensi Produksi

Dengan prediksi kualitas berbasis ML/DL, perusahaan manufaktur dapat mengurangi scrap rate hingga 40% dan meningkatkan efisiensi first-time-right production.

Pengurangan Biaya Inspeksi Manual

Prediksi otomatis memungkinkan pengurangan kebutuhan inspeksi manual hingga 50%, seperti yang dialami pabrik otomotif yang menerapkan CNN untuk deteksi cacat bodi mobil.

 

Kesimpulan

Tercan dan Meisen memberikan tinjauan yang komprehensif mengenai penerapan machine learning dan deep learning dalam prediksi kualitas manufaktur. Meski perkembangan pesat terlihat dalam dekade terakhir, masih ada tantangan signifikan yang harus diatasi. Ke depan, integrasi teknologi seperti XAI dan transfer learning menjadi kunci untuk memperluas adopsi sistem prediktif ini di industri manufaktur secara global.

 

📖 Referensi Utama
Tercan, H., & Meisen, T. (2022). Machine learning and deep learning based predictive quality in manufacturing: a systematic review. Journal of Intelligent Manufacturing, 33, 1879–1905. 

Dalam era Industri 4.0, pabrik pintar (smart factories) menjadi tulang punggung manufaktur modern. Keberhasilan mereka terletak pada efisiensi, fleksibilitas, dan kemampuan beradaptasi terhadap perubahan pasar yang cepat. Salah satu komponen kunci dalam mencapai tujuan tersebut adalah pengendalian kualitas (quality control) yang lebih proaktif dan berbasis data. Artikel ilmiah yang ditulis oleh Sidharth Sankhye dan Guiping Hu berjudul Machine Learning Methods for Quality Prediction in Production menghadirkan solusi inovatif melalui pendekatan machine learning (ML) untuk memprediksi kualitas produk secara lebih akurat dan efisien. 

Latar Belakang: Dari Inspeksi Manual ke Prediksi Cerdas

Proses pengendalian kualitas tradisional umumnya bersifat reaktif. Produk diperiksa setelah diproduksi, dan ketika ditemukan cacat, baru dilakukan tindakan perbaikan. Model ini tidak hanya boros waktu, tetapi juga menimbulkan biaya tinggi akibat penarikan produk (recall) dan kerugian reputasi. Di sinilah machine learning hadir, menawarkan kemampuan prediktif yang memungkinkan perusahaan mendeteksi potensi cacat produk sejak dini.

Penelitian ini mengambil studi kasus dari lini produksi alat rumah tangga (appliance manufacturing), yang sebelumnya mengalami peningkatan jumlah cacat produk meskipun telah dilengkapi sistem visi dan scanner modern. Keterlambatan dalam mendeteksi masalah mengakibatkan biaya recall yang besar. Dengan memanfaatkan data yang ada, penulis membangun model prediksi kualitas berbasis machine learning, khususnya metode klasifikasi.

Intisari Penelitian: Membangun Model Prediksi Kualitas

Penelitian ini fokus pada penerapan metode supervised learning, yaitu klasifikasi, untuk memprediksi compliance quality produk. Proses prediksi kualitas produk didasarkan pada data yang dikumpulkan secara real-time dari proses produksi multi-tahap.

Beberapa temuan penting dari penelitian ini:

• Model klasifikasi yang dikembangkan berhasil mencapai akurasi hingga 99%, dengan nilai Cohen’s Kappa sebesar 0.91. Ini menunjukkan tingkat keandalan yang sangat tinggi, bahkan untuk dataset dengan ketidakseimbangan kelas (imbalanced dataset).
• Penerapan feature engineering menjadi kunci dalam meningkatkan kinerja model, khususnya dalam mengatasi tantangan data imbalance, yang sering terjadi di pabrik modern.

Studi Kasus: Transformasi Lini Produksi Alat Rumah Tangga

Dalam studi kasus yang diangkat, penulis menganalisis data produksi dari sebuah pabrik alat rumah tangga yang memproduksi sekitar 800 unit produk per hari. Data yang digunakan meliputi:

• Nomor seri unit produk
• Model produk
• Minggu produksi
• Warna dan merek produk
• Catatan inspeksi kualitas dari proses Random Customer Acceptance Inspection (RCAI)

Masalah utama yang dihadapi adalah cacat produk berupa komponen salah pasang atau hilang, terutama setelah proses model changeover di lini produksi. Dengan produksi multi-model tanpa jeda, kemungkinan terjadinya kesalahan dalam proses perakitan meningkat.

Langkah-langkah Pengembangan Model

1. Data Pre-processing: Membersihkan data, menyusun ulang atribut, dan memastikan konsistensi dataset.
2. Feature Engineering: Membangun fitur baru, seperti proximity to model changeover, yang mengukur seberapa dekat posisi unit terhadap perubahan model sebelumnya. Ini terbukti signifikan dalam meningkatkan akurasi prediksi.
3. Penggunaan Metode Ensembel: Penelitian membandingkan performa Random Forest (bagging) dan XGBoost (boosting). XGBoost terbukti unggul, terutama dalam klasifikasi unit produk yang tergolong cacat (minority class).

Insight Tambahan: Mengapa Feature Engineering Penting?

Feature engineering dalam studi ini memberikan keunggulan nyata. Salah satu fitur penting yang dikembangkan adalah batch_seq, yang menunjukkan urutan unit produksi setelah terjadi perubahan model. Dengan menambahkan atribut ini, model XGBoost mampu mengklasifikasi unit cacat dengan akurasi 98.34%, jauh lebih tinggi dibanding tanpa fitur tersebut.

Namun, upaya normalisasi fitur, seperti batch_seqperc (persentase posisi dalam batch), justru menunjukkan penurunan kinerja. Ini menunjukkan bahwa dalam konteks produksi, data absolut lebih bermakna daripada representasi relatif. Korelasi ini mencerminkan risiko tinggi cacat produk di awal batch setelah model changeover, terlepas dari ukuran batch.

Kelebihan Penelitian

1. Konsistensi Hasil: Model dikembangkan dengan cross-validation dan diuji pada data independen, menunjukkan keandalan tinggi.
2. Praktis untuk Implementasi Nyata: Waktu pelatihan model hanya 15 menit, sementara prediksi real-time dapat dilakukan dalam 0.05 detik per unit, membuatnya sangat layak diterapkan di lini produksi skala besar.
3. Mengurangi Biaya Kualitas: Dengan memprediksi unit cacat secara proaktif, perusahaan dapat menghemat biaya recall dan meningkatkan efisiensi inspeksi.

Kritik dan Catatan untuk Pengembangan Lebih Lanjut

Meskipun hasilnya mengesankan, penelitian ini memiliki keterbatasan:

• Dataset Terbatas: Fokus penelitian adalah pada cacat kategori wrong/missing parts, karena data yang tersedia tidak mencakup parameter proses perakitan secara mendetail.
• Belum Menerapkan Deep Learning: Penulis tidak mengeksplorasi model deep learning seperti neural networks, yang berpotensi memberikan performa lebih baik jika diterapkan pada dataset yang lebih besar dan kaya fitur.
• Konteks Industri Terbatas: Studi ini hanya menguji satu jenis industri (alat rumah tangga). Perlu penelitian lebih luas di sektor manufaktur lain seperti otomotif atau elektronik.

Dampak Praktis dan Tren Industri

Penelitian ini sangat relevan dengan konsep smart manufacturing dan proses quality assurance berbasis prediksi di era Industri 4.0. Dengan banyaknya Internet of Things (IoT) dan sensor di pabrik modern, data proses produksi semakin melimpah. Penelitian seperti ini menjadi fondasi penerapan Predictive Quality Analytics (PQA) yang meminimalkan biaya produksi dan meningkatkan kepuasan pelanggan.

Dalam konteks global, perusahaan seperti Siemens, GE, dan Bosch telah mulai mengadopsi pendekatan serupa dalam sistem mereka. Contohnya, Bosch menggunakan AI untuk memprediksi cacat pada lini perakitan elektronik, mengurangi scrap rate hingga 25%.

Kesimpulan: Menuju Masa Depan Manufaktur Bebas Cacat

Penelitian Sankhye dan Hu menunjukkan bahwa machine learning dapat diandalkan untuk memprediksi kualitas produk, bahkan dalam kondisi dataset yang tidak seimbang dan kompleks. Implementasi metode ini membawa perusahaan manufaktur lebih dekat ke zero-defect manufacturing, di mana kualitas produk terjamin tanpa harus mengandalkan inspeksi akhir semata.

Dengan peningkatan ketersediaan data produksi dan kemajuan algoritma, solusi berbasis machine learning akan menjadi standar baru dalam pengendalian kualitas industri modern.

 

Referensi
Sankhye, S., & Hu, G. (2020). Machine learning methods for quality prediction in production. Logistics, 4(4), 35.