167
SISTEM PENGUKURAN BEBAN KENDARAAN BERJALAN BERBASIS SERAT OPTIK
Bambang Widiyatmoko, Dwi Hanto, dan Andi Setiono, Hendra Adinanta, dan Imam Mulyanto Grup Tera-Hertz Photonics, Bidang Instrumentasi dan Optoelektronika
Pusat Penelitian Fisika, Lembaga Ilmu Pengetahuan Indonesia (LIPI) Kompleks PUSPIPTEK Serpong, Tangerang Selatan, 15314
e-Mail : [email protected] Jakarta, 7 - 8 November 2013
ABSTRAK
Saat ini, teknologi pengukuran beban kendaraan sudah dapat dilakukan secara berjalan atau yang lebih dikenal dengan Weight In Motion (WIM). Metode tersebut cukup membantu terutama untuk menjaga keselamatan berlalulintas sekaligus mengurangi kemacetan. Pada tulisan ini, Pusat Penelitian Fisika LIPI telah mengembangakan sistem pengukuran beban kendaraan dengan menggunakan sensor serat optik dengan teknik mikrobending. Sistem alat ini terdiri dari laser stabil, sensor serat optik, pengkondisi sinyal, dan software evaluasi WIM. Hasil pengukuran beban dengan obyek replika kendaraan dihasilkan sejumlah pulsa sebanyak roda yang menginjak sensor tersebut.
Dari pulsa inilah, interpretasi ke dalam ukuran beban yang diukur dengan melakukan pendekatan kalkulasi dengan menggunakan metode modifikasi luasan di bawah pulsa yang terdeteksi.
Kata kunci: Weight In Motion, serat optic, pulsa, beban.
168 I. PENDAHULUAN
Angka kecelakaan lalu lintas yang dipublikasikan Badan Intelejen Negara (BIN) bersasarkan data WHO (World Health Organization) merupakan pembunuh nomor tiga di dunia setelah jantung koroner dan TBC.
Sedangkan menurut Outlook 2013 penyebab terjadinya kecelakaan lalu lintas terdapat beberapa faktor diantaranya: kondisi sarana dan prasarana transportasi, faktor manusia, dan alam. Kondisi sarana dan prasarana transportasi merupakan faktor yang dapat diupayakan untuk dilakukan uapaya pencegahan bersama dibanding faktor lainnya [1]. Rusaknya sarana transportasi diantaranya diakibatkan dari adanya kendaraan dengan muatan berlebih (overloading) sehingga banyak berdampak terhadap terjadinya kecelakaan lalu lintas.
Upaya pencegahan terhadap rusaknya sarana transportasi bisa dilakukan dengan pembatasan muatan kendaraan yang memasuki pada jalan, jembatan, pelabuhan, atau di dalam kapal. Saat ini, pemerintah sebenarnya sudah membuat regulasi dan aksi untuk melakukan penimbangan terhadap kendaraan yang masuk pada daerah-daerah tertentu. Namun, apabila kendaraan yang ditimbang tersebut jumlahnya sangat banyak tentunya akan mengakibatkan masalah lain seperti kemacetan. Dewasa ini, berkembang sebuah teknologi Weight In Motion (WIM) yaitu penimbangan kendaraan tanpa henti. Konsep ini telah diperkenalkan lebih dari 50 tahun yang lalu [2]. Beberapa keuntungan teknologi WIM antara lain lebih efisien dan menghemat waktu, khususnya pada saat lalu lintas sibuk [3]. Hal ini akan mendukung modernisasi manajemen lalu lintas.
Sejumlah sistem WIM pada jalan tol telah dikembangkan dalam kurun 5 dekade yang lalu [3-5]
dengan mengaplikasikan beberapa teknologi WIM.
Penelitian terkait WIM di Indonesia masih belum banyak dilakukan padahal negara ini merupakan salah negara dengan luas daratan dan laut terbesar di dunia.
Diantara kegiatan penelitian tentang WIM dilakukan oleh Pusat Penelitian Fisika LIPI yaitu pengembangan sensor beban kendaraan berjalan dengan menggunakan serat optik [6-8]. Penggunaan serat optik ini memiliki keunggulan dibanding dengan sensor-sensor sebelumnya diantaranya kebal terhadap gangguan gelombang elektromagnetik sehingga cocok untuk instalasi di area terbuka. Hasil penelitian yang telah dilakukan oleh Pusat Penelitian Fisika LIPI dapat menunjukkan pengukuran beban kendaraan secara statis maupun berjalan berdasarkan axle load.
II. METODOLOGI PENELITIAN
Secara umum, Sistem WIM yang telah dikembangkan oleh Pusat Penelitian Fisika LIPI seperti diagram blok pada Gambar 1. Bagian-bagian tersebut diantaranya: sensor beban berbasis serat optik yang ditunjukkan gambar 2, laser dioda dengan panjang gelombang 1610 nm, Photodiode dan amplifier sebagai
pengkondisi sinyal, konverter A/D DT9816-S dengan sampling rate hingga 750 kS/s per kanal dan resolusi ADC 16 bit, serta PC dengan dilengkapi software WIM seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3. Software WIM ini dilengkapi dengan fitur pembaca kecepatan kendaraan dan grafik beban kendaraan dengan sumbu X menunjukkan waktu sedangkan sumbu Y merupakan output tegangan sensor.
Gambar 1 Diagram Blok Instrumentasi WIM
Gambar 2. Sensor beban kendaraan berbasis serat optik
Gambar 3 Tampilan Software WIM
Pengujian terhadap sistem ini baik perbagian maupun secara keseluruhan. Pada bagian software dilakukan pengujian batas kemampuan baca lebar pulsa yang masuk. Pengujian dilakukan dengan memberikan gelombang sinusoidal dari generator sinyal dengan mengubah parameter periode gelombangnya seperti ditunjukkan pada Gambar 4. Pada bagian sensor sebelum diujikan pada beban kendaraan, sensor terlebih dahulu diberi beban menggunakan Universal Testing Machine (UTM). Pengujian ini sensor diberikan variasi 4 buah variasi tingkat kekerasan bahan polimer untuk mengetahui kemampuan dan jangkauan bacaan sensor.
Pengujian sensor dengan UTM ditunjukkan pada Gambar 5.
169 Gambar 4 Pengujian Kemampuan sistem baca
Gambar 5 Pengujian sensor beban dengan UTM Sedangkan untuk melakukan pengujian beban baik secara dinamis berdasarkan sumbu kendaraan menggunakan miniatur truk yang merupakan replika dari tipe Mitsubishi FE 71 empat ban berukuran 78x30x25 cm dan memiliki berat kosong 226 N. Untuk melakukan simulasi pengukuran dibuat sebuah simulator yang dilengkapi dengan sensor kecepatan yang diintegrasikan dengan software WIM seperti tampak pada Gambar 6.
Gambar 6 Percobaan pengukuran berat kendaraan dalam keadaan berjalan
III. HASIL DAN PEMBAHASAN
Hasil sinyal sensor beban untuk aplikasi WIM adalah berbentuk pulsa dengan karakterisitik bentuk, amplitudo, dan lebar pulsa. Seperti hasil penelitian dari Bin, et al [9] bahwa sensor yang telah dibuatnya yang telah diujikan pada kendaraan berjalan pada kecepatan
10 km/jam menunjukkan lebar pulsanya pada kisaran 100 ms. Oleh karena itu, sistem baca dalam WIM harus memiliki data akuisisi dan software dengan spesifikasi paling tidak juga dapat membaca lebar pulsa pada kisaran 100 ms atau bahkan lebih kecil lagi supaya dapat diaplikasikan pada pembacaan beban dengan kecepatan yang lebih tinggi.
Pengujian kemampuan baca software yang dilakukan sinyal generator diharapkan memiliki resolusi 1,3 μs karena spesifikasi dari data akuisisi yang digunakan mempunyai clock maksimum sebesar 750.000 Hz. Hasil pengujian menunjukkan bahwa sistem baca yang telah dibuat mampu membaca tanpa aliasing adalah sinyal dengan periode 25 μs seperti tampak pada Gambar 7.
(a) (b)
(c) (d)
(e) (f)
(g)
Gambar 7. Pengujian dengan sinyal dengan periode dalam μs (a) 100 (b) 50 (c) 40 (d) 25 (e) 15 (f) 10 dan
(g) 5
Berdasarkan hasil pengujian ini, apabila kendaraan berjalan dengan kecepatan di bawah 10 km/jam sistem baca ini masih bisa dihandalkan karena lebar sinyal pulsa yang akan diukur masih pada orde 100 ms.
Adapun untuk kendaraan yang tinggi yang menghasilkan lebar pulsa 15, 10 dan 5 μs tidak direkomendasikan dengan sistem baca yang telah dibuat, namun hanya mengganti data akuisisi dengan spesifikasi kecepatan clock yang lebih tinggi.
170 Sistem WIM yang ingin dikembangkan pada dasarnya adalah untuk mengukur beban kendaraan yang pada umumnya pada ukuran ton. Namun pada penelitian ini, sensor yang telah dibuat disesuaikan pada skala laboratorium untuk mempermudah karakterisasi dan simulasi, sehingga kapasitas sensor pada ukuran dibuat dalam ratusan kilogram. Untuk menguji kemampuan tersebut sensor yang di dalamnya terdapat bantalan polimer seperti yang ditunjukkan pada Gambar 8, diberi beban dari UTM dengan variasi tingkat kekerasan pada bantalan polimer pada sensor tersebut seperti Gambar 5.
Gambar 8 Struktur Sensor WIM
Hasil pengujian pembeban sensor dengan UTM ditunjukkan Gambar 9. Secara umum untuk keempat variabel kekerasan polimer yang dipasang pada sensor adalah semakin besar beban yang diberikan menyebabkan turunnya output tegangan yang dihasilkan sensor. Artinya keempat variabel tersebut dapat dijadikan bahan peredam pada sensor hanya saja pada masing-masing tingkat kekerasan memiliki kempuan yang berbeda dalam memberikan redaman dari ukuran mulai respon (threshold), jangkauan pembacaan, dan kapasitas pembacaan sensor. Polimer dengan tingkat kekerasan rendah yaitu 40 memiliki threshold, jangkauan, dan kapasitas yang lebih tinggi yaitu 535 N;
935 N; dan 1470 N dibanding yang lainnya. Adapun untuk tingkat kekerasan yang besar menyebabkan threshold, jangkauan, dan kapasitaspun juga menurun kecuali dengan tingkat kekerasan 50 memiliki performa yang sama dengan tingkat kekerasan 70. Hasil ini memberikan rekomendasi pada pembuatan sensor selanjutnya untuk mendesain sensor sesuai kebutuhan yang diinginkan.
Gambar 9 Hasil pengujian uji UTM pada sensor Pada tulisan ini, sistem WIM yang telah dibuat diujicobakan dalam skala laboratorium untuk mengukur beban dari replika kendaraan pada simulator seperti
yang telah ditunjukkan pada Gambar 6. Pada ujicoba ini diberikan beban brutto sebesar 1226 N dengan replika kendaraan dijalankan pada kecepatan yang mendekati sama yaitu 3-4 km/jam. Tujuan dari percobaan ini adalah untuk melihat bagaimana respon sensor pada kecepatan dan beban yang sama. Hasil pengamatan pada percobaan tersebut ditunjukkan pada Gambar 10. Pada gambar tersebut ditunjukkan kecepatan kendaraan yang lewat sedangkan pada bagian grafik terdapat dua buah pulsa yang menunjukkan injakan roda depan dan roda belakang dari replika kendaraan. Kalau diamati dari sisi puncak pulsa saja hasil lima percobaan dapat dirangkum dalam Tabel 1. Hipotesa awal untuk beban dan kecepatan yang mendekati sama diharapkan nilai puncak pulsa yang sama, namun hasil yang diperoleh masih belum seragam hal ini dikarenakan penempatan sensor pada simulator yang masih bergetar dan gerak, oleh karena itu untuk pengukuran selanjutnya sensor harus menyatu dengan simulator bisa dilakukan dengan menambah perekat khusus.
Gambar 10 Hasil Pembacaan beban replika kendaraan berjalan pada software
Tabel 1 Pengukuran beban kendaraan replika secara berjalan
No. Kecepatan (km/jam)
Output Tegangan puncak Sensor
Roda Depan (volt)
Roda Belakang (volt)
1 3,211 1,0 0,3
2 3,243 0,9 0,2
3 4,020 1,0 0,4
4 3,588 1,6 0,4
5 3,549 1,6 0,3
Seperti hasil yang ditunjukkan pada Gambar 10 bahwa metode pengukuran beban kendaraan yang diperoleh dari sumbu kendaraan adalah output sensor
Bantalan polimer
171 berupa pulsa. Untuk menginterpretasi dari data berupa pulsa tersebut ada berbagai macam pendekatan yang dilakukan diantaranya yang disebutkan Taek Kwon and Bibhu Aryal [10]. Pengolahan pulsa dapat dilakukan berdasarkan tinggi pulsa, luasan di bawah pulsa dan modivikasi dari luasan di bawah pulsa. Apabila pulsa hasil WIM diilustrasi seperti tampak pada Gambar 11 hanya saja bentuknya terbalik. Pendekatan kalkulasi pulsa tersebut dapat dilakukan dengan menggunakan software yang ada melalui teknik modivikasi luasan di bawah pulsa menurut persamaan 1, karena pada sistem yang dibuat dengan menggunakan akuisisi data dapat yang dilakukan dengan waktu sampling yang sama.
(1)
Dengan dan TL=L/S; L=lebar sensor, S=kecepatan kendaraan, x(j)=output pulsa, bj= idle level.
Gambar 11 Ilustrasi metode analisa pulsa WIM IV. KESIMPULAN
Sistem pengukuran beban kendaraan secara berjalan dapat dilakukan dengan menggunakan serat optik dengan teknik mikrobending sebagai sensor. Sistem yang telah dibuat sudah dapat mendeteksi beban secara berjalan dengan obyek replika kendaraan. Respon dari sensor yang terbaca dari software berbentuk pulsa yang bersesuaian dengan beban dan kecepatan beban yang lewat yang berasal dari roda. Untuk analisa lanjut dari pulsa agar menjadi beban yang terukur sangat dimungkinkan dengan metode pendekatan modivikasi luasan di bawah pulsa.
V. UCAPAN TERIMA KASIH
Penulis mengucapkan terima kasih kepada Kementrian Riset dan Teknologi atas biaya riset dari program INSINAS 2013 pada penelitian ini.
VI. DAFTAR PUSTAKA
[1] BIN, Kecelakaan lalu lintas menjadi pembunuh terbesar ketiga, diakses 9 september 2013.
http://Www.Bin.Go.Id/Awas/Detil/197/4/21/03/20 13/Kecelakaan-Lalu-Lintas-Menjadi-Pembunuh- Terbesar-Ketiga.
[2] Ramesh B. Malla, Amlan Sen and Norman W.
Garrick, A Special Fiber Optic Sensor for Measuring Wheel Loads of Vehicles on Highways, Sensors vol 8, 2008, 2551-2568.
[3] Lee, C.E, Standards for Highway Weigh-In- Motion (WIM) Systems, ASTM Standardization News, Feb.1991; pp. 32-37.
[4] Wyman, J.H, An Evaluation of Currently Available WIM System, In Proc. 3rd. National Conf. on Weigh-In-Motion, March 1989, pp. 6-176.
[5] Cottrell, B. Jr, Evaluation of Weigh-In-Motion Systems, Final Report, FHWA Report FHWA/VA- 92-RB, VTRC 92-RB; Nat. Tech. Info. Service:
Springfield VA, 1992,p. 100.
[6] Setiono, Andi., Hanto, Dwi., Widiyatmoko, Bambang., Budi Waluyo, Budi., “Kajian Penerapan Konsep Impuls untuk Menghitung Berat Kendaraan Berjalan Menggunakan Sensor Serat Optik”, Prosiding Seminar Nasional Fisika, Semarang 8 Juni 2013. ISBN:978-602-8047-80-7 [7] Hanto, Dwi., Al Kindi, Cindy, Setiono, Andi.,
Widiyatmoko, B., Analisa Pengaruh Mikrobending untuk Aplikasi pada Sensor Beban Berbasis Serat Optik, 2013, Prosiding Seminar Nasional Fisika, Semarang 8 Juni 2013.
ISBN:978-602-8047-80-7.
[8] Hanto, Dwi., Hervina Sari, Dessy, Setiono, Andi., Widiyatmoko, B., Rencana Alat Timbang Berbasis Serat Optik Mikrobending Menggunakan Mikrokontroler Atmega32”, 2013, Prosiding Seminar Nasional Fisika, Semarang 8 Juni 2013.
ISBN:978-602-8047-80-7.
[9] Bin, Ma and Xinguo, Zou., Study of Vehicle Weight-In-motion System Based on Fiber-optic Microbend Sensor, 2010. International Conference on Intelligent Computation Technology and Automation.
[10] Taek Kwon and Bibhu Aryal, Development of a PC-Based Eight-Channel WIM System, 2007, Final Report from Minnesota Department of Transportation Research Services Section.
Output sensor (v)
Waktu (s)
Idle level threshold
Output pulsa (x(j)
Δt Δt
