Sistem pemantau kesehatan (atau kondisi laik guna) struktur jembatan saat kini menjadisesuatu yang penting yang bisa memberikan manfaat yang besar dalam pemeliharaan jembatan terkait hasil dan daya guna usaha serta biaya. Sistem tersebut bekerja dengan prinsip umum, berupa: pengukuran besaran fisis, pengiriman data, dan penyajian data yang sudah diolah. Prinsip umum tersebut dideskripsikan dalam artikel ini, dengan tujuan prinsip umum dari kerja sistem pemantau kesehatan struktur jembatan bisa lebih dikenal.

Jembatan dan Kondisi Strukturnya

Jembatan merupakan salah satu jenis infrastruktur yang sangat penting dibangun dengan karakteristik berupa masa layan yang panjang. Semakin lama masa layan suatu jembatan, semakin besar manfaat yang bisa diperoleh oleh pengguna (Gambar 1). Masa layan yang panjang dari sebuah jembatan ditentukan oleh konstruksi yang kokoh disertai pemeliharaan struktur yang baik. Kondisi struktur suatu jembatan dapat dinilai dengan pemantauan struktur jembatan. Dalam proses pemantauan tersebut, kondisi jembatan diawasi dan ditinjau untuk memastikan keamanan, keunggulan, dan kelayakan penggunaannya. Dengan demikian, kerusakan, keausan, atau permasalahan lain yang mengancam Kesehatan jembatan, dapat diketahui untuk kemudian ditentukan langkah pembaruan atau perawatan yang tepat sebelum terjadi kecelakaan.

 

Sistem Pemantau Kesehatan Struktur

Sistem Pemantau Kesehatan Struktur/Structural Health Monitoring System (SHMS) merupakan sebuah sistem yang digunakan untuk memvalidasi hasil perencanaan jembatan, menjamin keamanan struktur jembatan dengan penggunaan informasi yang didapat terkait kondisi struktur jembatan, dan mewujudkan perencanaan pemeliharaan (maintenance) yang sesuai dan ekonomis. Umumnya, SHMS digunakan pada jembatan dengan bentang paling sedikit 100 meter (Permen PUPR No. 10 Tahun 2022 tentang Penyelenggaraan Keamanan Jembatan dan Terowongan Jalan). Pada sistem ini, berbagai sensor terkoneksi dengan perangkat pengumpul data untuk mendata pengukuran secara langsung ke dalam database (Gambar 2), pengumpulan ini dilakukan melalui proses komunikasi data.

Komunikasi data adalah proses pengiriman dan penerimaan data / informasi antara perangkat seperti komputer, laptop, atau printer yang didukung oleh perangkat lunak (program komputer). Komunikasi data berjenis komunikasi terestial dengan kabel dan komunikasi satelit dengan cakupan area yang lebih luas. Kompenen penyusun system komunikasi data diantaranya meliputi sumber, pengirim dan penerima, dimana informasi diubah menjadi data, selanjutnya dikirim dan diterima untuk diolah (Gambar 3). Efektivitas sistem komunikasi data terkait dengan karakteristik pengiriman, akurasi, dan ketepatan waktu. Sistem komunikasi data dapat berbentuk komunikasi titik-ke-titik (pointto-point), data dari satu sistem dikirimkan langsung ke satu tempat lain (misalnya: fax, telepon, dan telegram). Dalam sistem multi komunikasi, data dari satu titik dikirimkan ke beberapa tempat sekaligus (misalnya: jaringan dengan saklar). Ada juga siaran (broadcast), dimana data dari satu tempat bisa diterima oleh semua titik yang terhubung (misalnya: siaran radio dan televisi).

Dalam prosesnya, digunakan protokol untuk mengatur pertukaran data antar perangkat. Untuk komunikasi data dari sensor ke penghimpun-data (datalogger), dapat digunakan Protokol IEEE 802.15.4. Kemudian, dari datalogger kepada lokasiakses (access point) atau jaringan lokal, dapat digunakan Protokol IEEE 802.11. Teknologi ini tidak terlepas dari internet, seperti penerapan protokol dalam pengiriman email, yang melibatkan beberapa protokol agar dapat diterima oleh penerima pada jaringan yang sama atau berbeda. Secara khusus, protokol memiliki beberapa fungsi penting: Pengaturan alamat/addressing (informasi alamat pengirim dan penerima yang tersimpan dalam Header IP Package digunakan oleh router untuk mengarahkan paket melewati suatu jaringan komunikasi); Penyusunan ulang/reassembly (pesan yang dikirim akan dipecah menjadi beberapa paket oleh protokol internet, yang kemudian, saat diterima, paket akan disusun-ulang; Batas umur paket/timeouts (paket dibatasi umurnya oleh protokol internet menggunakan self-destructive counter untuk mengatur umur paket serta mencegah penumpukan paket yang sudah kadaluwarsa; Pilihan pengiriman/options (protokol menyediakan opsi untuk mengontril pengiriman paket, termasuk tambahan fitur keamanan pada paket). Penggunaan protokol komunikasi data dibedakan mejadi beberapa jenis yakni, Transmission Control Protocol (TCP) / Internet Protocol (IP), pengaturan standar untuk pertukaran data antar komputer di internet; Hypertext Transfer Protocol Secure (HTTPS), versi aman dari Hypertext Transfer Protocol (HTTP) dengan lapisan enkripsi Socket Secure Layer atau Transport Layer Security untuk keselamatan komunikasi. Secure Shell (SSH), protokol aman untuk pertukaran data dan kontrol jarak jauh. Telecommunication network (Telnet), protocol dengan keamanan rendah untuk koneksi internet atau Local Area Network (LAN). Open System Interconnection (OSI) Layer, standar komunikasi dengan tujuh lapisan fungsi spesifik (application layer, presentation layer, session layer, transport layer, network layer, datalink layer, dan physical layer) untuk komunikasi efisien antar komputer dalam jaringan yang berbeda.

 

Prinsip Operasi SHMS Secara Umum

Operasi SHMS secara umum terdiri dari beberapa tahapan, yaitu: pengukuran besaran fisis, pengiriman data, dan penyajian data yang sudah diolah. Pengukuran besaran fisis menggunakan sensor-sensor yang menjadi indikator kesehatan suatu struktur. Sensor tersebut ditempatkan pada beberapa lokasi yang telah ditentukan (Gambar 4). Beberapa jenis sensor ini meliputi:

• Accelerometer, berfungsi untuk mengukur getaran pada struktur, yang dihasilkan oleh perlakuan pada saat pengujian, dengan kemampuan pembacaan getaran hingga tiga sumbu/axis.
• Displacement Transducer, digunakan untuk mengukur perpindahan atau pergeseran Lokasi suatu objek saat diberikan perlakuan tertentu pada saat pengujian.
• Strain transducer, berfungsi untuk mengukur regangan bentuk suatu struktur saat dilakukan pengujian.
• Tilt sensor, digunakan untuk mengukur kemiringan suatu objek terhadap dua sumbu.
• Temperature sensor, digunakan untuk mengukur suhu di suatu lokasi atau pada suatu struktur, yang     dapat dijadikan pembanding terhadap hasil pengukuran sensor lainnya, sehingga dapat dilakukan penilaian pengaruh  suhu terhadap struktur yang diuji.

Pengiriman data dalam SHMS melibatkan mikrokontroler, yaitu komputer kecil dalam bentuk chip berupa Integrated Circuit (IC), yang mengontrol proses kerja dan interaksi perangkat. Mikrokontroler menerima, olah, dan kirim sinyal sesuai program yang dimuat. Biasanya, mikrokontroler terdiri dari CPU, RAM, ROM, serta perangkat INPUT dan OUTPUT yang bisa diprogram. Berbeda dengan komputer, mikrokontroler punya kecepatan pengolahan data rendah, sekitar 1-16 MHz (Gambar 5).

Mikrokontroler sering digunakan pada aplikasi sistem dan perangkat yang sederhana, yang tidak memerlukan proses komputasi yang tinggi. Beberapa contoh produk mikrokontroler, yaitu: avr, arduino, atmega328, dan lainnya. Fungsi Mikrokontroler meliputi pewaktu (timer), pembangkit osilasi, flip-flop, Analog to Digital Converter (ADC), penghitung (counter), encoder dan decoder.

Mikrokontroler dan berbagai sensor yang membentuk SHMS, bekerja dalam skema Wireless Sensor Network (WSN). Ini merupakan teknologi komunikasi wireless antar perangkat sensor daya kecil dan murah, yang terdiri atas sejumlah sensor yang ditebarkan pada suatu struktur untuk kepentingan pengukuran (Gambar 6). Berbeda dari jaringan computer (OSI Layers atau DoD), yang diutamakan oleh WSN adalah penghematan energi, karena penggunaan WSN untuk pengukuran daerah yang tidak bisa dijangkau manusia dan pengisian ulang energi, sangat sulit dilakukan.

Standardisasi perangkat WSN telah dirumuskan untuk menjaga kompatibilitas arsitektur hardware dan software, diantaranya penggunaan standar IEEE 802.15.4 untuk teknologi wireless dengan datarate rendah. Pertukaran data (traffic) dilakukan menurut salah satu dari tiga jenis berikut:

1. Traffic periodik, yang biasa digunakan untuk aplikasi monitoring, yang mana sensor mengirimkan data secara periodik dari suatu fenomena fisik.
2. Traffic berselang, yang biasa digunakan untuk aplikasi event-triggered. Biasanya trigger berupa sinyal dalam software atau faktor eksternal. Tipe traffic ini diatur oleh tiap titik router.
3. Traffic rendah latensi, digunakan oleh komunikasi tertentu yang memerlukan waktu proses singkat, misalnya proses klik mouse oleh administrator.

Perbedaan utama antara WSN dan embedded system network lainnya, yaitu titik sensor pada WSN selain memiliki fungsi sensor, juga memiliki fungsi sebagai router. Titik sensor tersebar di area tertentu, mampu mengumpulkan dan mengirimkan data ke sink atau gateway. Data dikirim ke end user menggunakan arsitektur multihop. Titik sensor juga bisa bertindak sebagai router dalam proses pengiriman data sebagai salah satu hop. Dikarenakan keterbatasan hardware dan penghematan energi, WSN menggunakan metode komunikasi rendah daya dengan jarak transmisi yang terbatas. WSN menggunakan teknologi komunikasi nirkabel yang tidak memerlukan kabel untuk mentransmisikan data. Komunikasi nirkabel mencakup berbagai teknologi seperti komunikasi seluler, jaringan antar computer dengan adaptor nirkabel, dan aksesori komputer nirkabel. Dibandingkan dengan jaringan kabel, komunikasi nirkabel memiliki keunggulan dalam kecepatan transfer data yang lebih cepat dan keamanan yang lebih baik. Sinyal dalam jaringan nirkabel dikirim melalui udara menggunakan adaptor komputer nirkabel yang menerjemahkan dan memancarkan data melalui antena. Router kemudian menerima dan mengubah sinyal tersebut untuk dibaca sebagai informasi oleh pengguna pada komputer atau laptop pengguna (Gambar 7).

Jaringan nirkabel bekerja secara dua arah, memungkinkan pengiriman dan penerimaan data dilakukan secara bersamaan dengan bandwitdh besar agar koneksi lebih cepat dan efesien. Ada empat jenis jaringan nirkabel, yakni: Wireless Personal Area Network (WPAN), Wireless Local Area Network (WLAN), Wireless Metropolitan Area Networks (WMAN), dan Wireless Wide Area Network (WWAN). WPAN seperti Bluetooth, untuk komunikasi antara perangkat pribadi dengan jangkauan 10 meter. WLAN digunakan di kantor dengan jangkauan hingga 2 km, berkomponen Access Point, WLAN Interface, PC, laptop, dan antenna eksternal. WMAN atau WiMAX, menghubungkan LAN nirkabel di kota dengan transfer rate hingga 75 Mbps dan jangkauan 8 km. WWAN meliputi area luas, menggunakan teknologi satelit dengan kecepatan beragam serta daya pancar tinggi. Setelah data dikirim melalui berbagai jaringan, data yang sudah diolah dari pengukuran besaran fisis suatu struktur, ditampilkan menggunakan Graphical User Interface (GUI). GUI adalah antarmuka yang memungkinkan pengguna berinteraksi dengan perangkat elektronik (Gambar 8), termasuk jendela, menu, ikon, dan widget. Pengguna dapat berinteraksi dengan GUI menggunakan mouse, keyboard, atau touchscreen.

GUI dikembangkan oleh Xerox Pako Alto di tahun 1970 dan sukses diintegrasikan oleh Apple untuk Macintosh dan Microsoft untuk Windows. GUI bekerja dengan prinsip yang sesuai dengan pola software model-viewcontroller, yang memisahkan informasi internal dan eksternal yang ditampilkan pada pengguna dengan mudah tanpa memerlukan pemahaman kode. Kelebihan GUI berupa kemudahan untuk dipahami dan digunakan, yang mana sistem komputer menjadi sederhana dalam pengoperasiannya bagi semua orang. Selain itu, GUI menjadikan antarmuka sebuah aplikasi atau sistem operasi lebih menarik. Interaksi apapun yang dilakukan oleh pengguna dengan perangkat elektronik menjadi lebih jelas. Namun, keterbatasan GUI termasuk interaksi terbatas, kecepatan lambat disbanding antarmuka berbasis perintah, dan kebutuhan penyimpanan yang besar yang mempengaruhi kinerja. Meskipun memudahkan pengguna, developer perlu usaha ekstra dalam desain dan implementasi untuk GUI. Perhatian terhadap kelebihan dan kekurangan GUI, menjadi pertimbangan mengenai kebutuhan suatu GUI untuk terpasang dalam sebuah perangkat elektronik. Bagi orang awam, GUI tentu saja sangat dibutuhkan, karena mampu menyederhanakan penggunaan suatu sistem untuk berfungsi. Pemilihan GUI dalam perangkat elektronik mempertimbangkan kebutuhan pengguna. GUI mempermudah penggunaan sistem, memberikan instruksi jelas, dan memungkinkan kontrol dari jarak jauh melalui web browser terhubung ke web server, memfasilitasi pertukaran data secara aman, mudah, dan cepat. Saat tampilan depan dibuka dari jarak jauh oleh klien, web server mengirimkan tampilan depan kepada klien, namun data primer yang diperoleh dari pengukuran sensor, tetap berada didalam komputer server. Interaksi dengan tampilan depan dapat dilakukan dengan cara yang sama seolah-olah GUI berjalan di klien, kecuali data primer diolah di dalam server.

Dengan kemampuan/fitur ini, kendali data/ informasi jarak jauh dapat dikerjakan dengan aman, mudah, dan cepat. Web server adalah sebuah software (perangkat lunak) yang memberikan layanan berupa pertukaran data, dengan cara menerima permintaan HTTP atau HTTPS dari klien/web browser (Chrome, Firefox), kemudian mengirimkan respon kepada klien dalam bentuk situs/halaman web (website) (Gambar 9).  Web server memiliki kapasitas penyimpanan yang besar dan akses yang cepat, sehingga kesalahan dalam penyimpanan dan akses data, pada suatu website atau aplikasi, dapat dicegah.

Web Server memiliki beberapa fungsi penting dalam SHMS, antara lain:

• Menjadi perantara komunikasi antara klien dan server menggunakan protokol HTTP dan HTTPS agar dapat dimengerti dengan mudah dan aman.
• Melakukan pemeriksaan keamanan sistem dari permintaan HTTP klien atau web browser.
• Membersihkan berbagai cache dan dokumen yang tidak terpakai, yang terdapat di dalam penyimpanan

 apula beberapa jenis web server yang dapat digunakan dalam SHMS, diantaranya:

• Web Server Apache: Web server populer yang awalnya didesain untuk UNIX, mudah diimplementasikan, mendukung PHP (Personal Home Page, program CGI yang mengolah teks di server. Apache meningkatkan dukungan terhadap PHP dengan modulnya (mod_php), memperbaiki kinerja PHP), SSI (Server Side Include, perintah yang disertakan dalam HTML, kemudian diproses oleh web server saat pengguna mengakses perintah tersebut), dan Access Control (Perintah ini dapat dijalankan berdasarkan nama host atau nomor internet protocol (IP) dari CGI).
• Web Server Nginx: dikenal mampu
• menangani banyak permintaan dengan keunggulan kualitas, kecepatan, dan kinerja, serta fitur seperti URL rewriting, virtual host, reverse proxying, dan lainnya. Selain itu juga, mencatat kondisi khusus (seperti gempa, angin kencang, dan beban berlebih dari kendaraan), mengidentifikasi kerusakan komponen jembatan, serta memberi peringatan untuk kondisi yang tidak normal. 
• Web Server IIS: Web server yang bekerja dengan protokol DNS, TCP/IP, dan software lain untuk merangkai situs Secara nyata, data seringkali tidak sampai tujuan akibat jaringan sibuk, error software, atau tindakan peretasan, yang dikenal sebagai Packet Los. Biasanya diukur sebagai persentase paket yang hilang dari total yang dikirim. Throughput adalah jumlah data yang berhasil terkirim dalam waktu tertentu, diukur dalam bits per second (bps) atau packets per second (pps).
• Web Server Lighttpd: Web server open source untuk Linux dan Unix dengan fitur seperti FastCGi, Output-Compression, dan URL Writing, memberikan kinerja cepat dan efektif.

 

Kinerja SHMS

Sebagai sistem yang melibatkan komunikasi data dalam pengoperasiannya, SHMS memiliki kinerja yang berkaitan dengan jaringan (network).
Beberapa parameter penting yang menunjukkan kinerja suatu jaringan, diantaranya: packet loss, troughput dan delay end-to-end (Prasetya Cahya, 2016) (Gambar 10).

Secara nyata, data seringkali tidak sampai tujuan akibat jaringan sibuk, error software, atau tindakan peretasan, yang dikenal sebagai Packet Los. Biasanya diukur sebagai persentase paket yang hilang dari total yang dikirim. Throughput adalah jumlah data yang berhasil terkirim dalam waktu tertentu, diukur dalam bits per second (bps) atau packets per second (pps).
Delay end-to-end tiap paket adalah total penundaan saat melewati node perantara menuju tujuan, terdiri dari penundaan propagasi dan pemrosesan di node antrian. Satuannya adalah detik (s). Semakin rendah  Web Server memiliki beberapa fungsi penting dalam SHMS, antara lain:
Kinerja SHMS delay, semakin baik performa jaringan.

 

Masa depan SHMS pada jembatan

Dalam dunia keteknikan jembatan, penggunaan metode pengujian tak rusak, SHMS menjadi bidang yang berkembang pesat.
SHMS mencakup teknologi penyediaan informasi tentang operasional dan pemantauan kondisi struktur, diolah untuk tindakan koreksi melalui perintah secara manual atau otomatis terhadap sistem oleh teknisi.
Teknologi ini nantinya menyajikan variasi kondisi struktur dan pembebanan jembatan, tegangan/regangan dan deformasi dari komponen utama pada jembatan.
Selain itu juga, mencatat kondisi khusus (seperti gempa, angin kencang, dan beban berlebih dari kendaraan), mengidentifikasi kerusakan komponen jembatan, serta memberi peringatan untuk kondisi yang tidak normal.
Di bidang pendidikan, SHMS menjadi sarana penelitian untuk pengembangan ilmu pengetahuan yang berkaitan dengan kecenderungan dunia yang mana struktur pintar (smart structure) akan menjadi suatu keharusan (necessity) di masa depan.