MODEL PENYEIMBANGAN LINTASAN PERAKITAN DENGAN KOLABORASI MANUSIA-ROBOT DAN ALTERNATIF SUBGRAF DISERTASI Karya tulis sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Doktor dari Institut Teknologi Bandung Oleh RADEN CAHYADI NUGRAHA NIM: 33416006 (Program Studi Doktor Teknik dan Manajemen Industri) INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG Juli 2023 i ABSTRAK MODEL PENYEIMBANGAN LINTASAN PERAKITAN DENGAN KOLABORASI MANUSIA-ROBOT DAN ALTERNATIF SUBGRAF Oleh Raden Cahyadi Nugraha NIM: 33416006 (Program Studi Doktor Teknik dan Manajemen Industri) Permasalahan penyeimbangan lintasan perakitan (assembly line balancing problem, ALBP) memiliki peran penting menghasilkan sistem produksi perakitan yang efektif dan efisien. Isu utama dalam ALBP adalah penugasan sejumlah pekerjaan perakitan ke dalam sejumlah stasiun kerja secara berurutan tanpa melanggar pembatas precedence dan pembatas lainnya untuk mencapai suatu fungsi tujuan tertentu. Saat waktu siklus sebagai representasi laju produksi menjadi pembatas, ALBP bertujuan meminimumkan jumlah stasiun kerja yang berarti meminimumkan biaya. Saat jumlah stasiun kerja menjadi pembatas, ALBP bertujuan meminimumkan waktu siklus lintasan, yang berarti memaksimumkan laju produksi. Sebagian besar pekerjaan perakitan dilakukan oleh operator manusia akibat kompleksitas operasi yang membutuhkan keterampilan tangan dan fleksibilitas manusia. Namun demikian, manusia juga memiliki keterbatasan dalam hal akurasi, konsistensi, dan kekuatan. Kolaborasi manusia-robot (human-robot collaboration, HRC) merupakan salah satu pendekatan untuk mengatasi keterbatasan tersebut dengan memanfaatkan kelebihan manusia dan kelebihan robot kolaboratif secara bersamaan. Penggunaan HRC dalam sistem produksi perakitan menjanjikan performansi sistem yang tinggi ditinjau dari sisi produktivitas, kualitas, kesehatan dan keselamatan kerja, dan fleksibilitas. Penggunaan HRC dalam lintasan perakitan melahirkan jenis permasalahan baru yaitu assembly line balancing problem with human-robot collaboration (ALBP-HRC). Solusi atas ALBP-HRC sangat dibutuhkan oleh beberapa industri yang mulai menggunakan HRC dalam lintasan perakitannya, misalnya industri elektronik dan industri otomotif. ALBP-HRC adalah ALBP dengan penambahan keputusan untuk menentukan apakah suatu pekerjaan dikerjakan oleh manusia saja, oleh robot saja, atau oleh manusia dan robot secara bersamaan (HRC). Penambahan keputusan ini membuat ALBP-HRC menjadi lebih kompleks. Penggunaan robot maupun HRC juga dapat memunculkan alternatif proses atau routing untuk mencapai suatu tujuan sub- rakitan yang sama. Dalam terminologi ALBP, kumpulan pekerjaan alternatif ii semacam ini disebut sebagai alternatif subgraf. Adanya alternatif subgraf membuat ALBP-HRC menjadi semakin kompleks. Penelitian disertasi ini bertujuan mengembangkan model matematis untuk ALBP dengan HRC dan alternatif subgraf (ALBP-HRC-AS). Dengan demikian, ALBP- HRC-AS adalah masalah penugasan sejumlah operasi ke dalam sejumlah stasiun- stasiun kerja, dan sekaligus menentukan apakah operasi tersebut dikerjakan oleh manusia saja, oleh robot saja, atau oleh manusia dan robot secara bersamaan dan melibatkan adanya alternatif subgraf pada precedence diagram. Kebaruan penelitian ini dapat ditinjau dari dua aspek, yaitu (1) stasiun kerja memperhitungkan jenis-jenis alat robot (end effectors) untuk digunakan pada setiap proses yang menggunakan robot atau HRC, dan (2) adanya alternatif subgraf. Penelitian ini juga mempertimbangkan dua kondisi berbeda dalam perancangan lintasan perakitan, yaitu, pertama, kondisi yang memungkinkan penambahan sumber daya, sehingga fungsi tujuannya adalah minimisasi biaya total, dan, kedua, kondisi yang tidak memungkinkan penambahan sumber daya, sehingga fungsi tujuannya adalah minimisasi waktu siklus. Penelitian disertasi ini dilakukan dalam empat tahap pengembangan model. Tahap A1 menghasilkan model dasar untuk ALBP-HRC yang meminimumkan biaya total dari manusia, robot, dan alat robot. Tahap A2 mengadaptasi model yang dihasilkan di Tahap A1 menjadi model yang meminimumkan waktu siklus. Tahap B1 mengembangkan lebih lanjut model dari Tahap A1 untuk menghasilkan model ALBP-HRC-AS yang meminimumkan biaya total. Tahap B2 mengadaptasi model yang dihasilkan di Tahap B1 menjadi model ALBP-HRC-AS yang meminimumkan waktu siklus. Pengembangan model matematis dilakukan dengan pendekatan mixed-integer linear programming (MILP). Solusi optimal model MILP dapat dicari dengan metode eksak, namun membutuhkan waktu komputasi yang sangat lama, sehingga untuk permasalahan berukuran besar menjadi tidak praktis untuk digunakan. Model matematis yang dikembangkan mampu menghasilkan solusi optimal atas ALBP- HRC-AS, khususnya bagi permasalahan berukuran kecil. Sedangkan untuk permasalahan berukuran menengah dan besar dikembangkan algoritma metaheuristik berbasis ant colony optimization (ACO). Efektivitas algoritma ACO yang dikembangkan ini ditunjukkan dengan kemampuan untuk menghasilkan solusi dengan rata-rata gap terhadap solusi metode eksak kurang dari 10%. Sebagai gambaran efisiensi, waktu komputasi yang dibutuhkan oleh algoritma ACO, bagi permasalahan berukuran besar, adalah kurang dari 10 menit, dibandingkan dengan metode eksak, yang membutuhkan waktu berjam-jam. Kata kunci: penyeimbangan lintasan perakitan, kolaborasi manusia-robot, pemodelan matematis, mixed-integer linear programming, metaheuristik iii ABSTRACT MODELS FOR ASSEMBLY LINE BALANCING WITH HUMAN-ROBOT COLLABORATION AND ALTERNATIVE SUBGRAPHS By Raden Cahyadi Nugraha NIM: 33416006 (Doctoral Program in Industrial Engineering and Management) The assembly line balancing problem (ALBP) plays an important role in producing an effective and efficient assembly production system. The main issue in ALBP is the assignment of a set of assembly tasks to a set of workstations in sequence without violating precedence constraints and other constraints to achieve a certain objective function. When the line cycle time as a representation of the production rate acts as the constraint, ALBP aims to minimize the number of work stations which means minimizing the cost. When the number of workstations is the constraint, ALBP aims to minimize the line cycle time, which means maximizing the production rate. Most assembly work is performed by human operators due to the complexity of the operations that require human’s dexterity and flexibility. However, humans also have limitations in terms of accuracy, consistency and strength. Human-robot collaboration (HRC) is an approach to overcome these limitations by utilizing the advantages of humans and the advantages of collaborative robots simultaneously. The use of HRC in assembly production systems promises high system performance in terms of productivity, quality, occupational health and safety, and flexibility. The use of HRC in assembly lines creates a new type of problem, namely assembly line balancing problem with human-robot collaboration (ALBP-HRC). Solutions to ALBP-HRC are urgently needed by several industries that have started using HRC in their assembly lines, such as the electronics industry and the automotive industry. ALBP-HRC is ALBP with the addition of decisions to determine whether a task is performed by humans only, by robots only, or by humans and robots together (HRC). The addition of this decision makes ALBP-HRC more complex. The use of both robots and HRCs can also provide alternative processes or routing to achieve a particular sub-assembly. In ALBP terminology, this collection of alternative processes is called an alternative subgraph. The existence of alternative subgraphs makes ALBP-HRC even more complex. This dissertation research aims to develop mathematical models for ALBP with HRC and alternative subgraphs (ALBP-HRC-AS). Thus, ALBP-HRC-AS is the iv problem of assigning a number of operations into a number of work stations, and at the same time determining whether the operation is done by humans only, by robots only, or by humans and robots simultaneously and involves the existence of alternative subgraphs on the precedence diagram. The novelty of this research can be viewed from two aspects, namely (1) the workstation takes into account the types of robotic tools (end effectors) to be used in each process that uses robots or HRC, and (2) the existence of alternative subgraphs. This research also considers two different conditions in the design of assembly trajectories, namely, first, conditions that allow the addition of resources, so the objective function is total cost minimization, and, second, conditions that do not allow the addition of resources, so the objective function is cycle time minimization. This dissertation research was conducted in four stages of model development.