BAB II TINJAUAN PUSTAKA
2.1
Klasifikasi Boiler (UNEP, 2006) memberikan pengertian tentang Boiler, yaitu Boiler adalah
adalah bejana tertutup dimana panas pembakaran dialirkan ke air sampai terbentuk air panas atau steam. Air panas atau steam pada tekanan tertentu kemudian digunakan untuk mengalirkan panas ke suatu proses. Air adalah media yang berguna dan murah untuk mengalirkan panas ke suatu proses. Jika air dididihkan sampai menjadi steam, volumnya akan meningkat sekitar 1.600 kali. Sistem Boiler terdiri dari sistem air umpan, sistem steam dan sistem bahan bakar. Sistem air umpan menyediakan air untuk boiler secara otomatis sesuai dengan kebutuhan steam. Berbagai pertimbangan disediakan untuk keperluan perawatan dan perbaikan. Sistem steam mengumpulkan dan mengontrol produksi steam dalam boiler. Steam dialirkan melalui sistem pemipaan ke titik pengguna. Pada keseluruhan sistem, tekanan steam diatur menggunakan kran dan dipantau dengan alat pemantau tekanan. Sistem bahan bakar adalah semua peralatan yang digunakan untuk menyediakan bahan bakar untuk menghasilkan panas yang dibutuhkan. Peralatan yang diperlukan pada sistem bahan bakar tergantung pada jenis bahan bakar yang digunakan pada sistem.
11
(Darmansyah D, 2006) menyatakan bahwa Boiler adalah salah satu peralatan yang menggunakan energi paling intensif di suatu industri. Efisiensi peralatan ini selalu berubah sesuai beban operasi. Pada dasarnya ada 3 (tiga) klasifikasi/jenis Boiler, yaitu fire tube Boiler, water tube boiler dan Packaged Boiler. 2.1.1 Fire/Shell Tube Boiler
Pada fire tube Boiler, gas panas melewati pipa-pipa dan air umpan Boiler ada didalam shell untuk dirubah menjadi steam. Atau dapat dikatakan bahwa air mengalir melalui shell dan menerima panas dari gas pembakaran yang mengalir melalui susunan pipa api Fire tube Boilers biasanya digunakan untuk kapasitas steam yang relative kecil dengan tekanan steam rendah sampai sedang. Sebagai pedoman, fire tube Boilers kompetitif untuk kecepatan steam sampai 12.000 kg/jam dengan tekanan sampai 18 kg/cm2. Fire tube Boilers dapat menggunakan bahan bakar minyak bakar, gas atau bahan bakar padat dalam operasinya. Untuk alasan ekonomis, sebagian besar fire tube Boilers dikonstruksi sebagai “paket” Boiler (dirakit oleh pabrik) untuk semua bahan bakar. Pada umumnya berkapasitas kurang dari 7 ton/jam. Konstruksinya relatif sederhana dan kokoh, harganya relatif murah. Keuntungan menggunakan Boiler ini adalah fleksibel terhadap perubahan beban secara cepat. Sedangkan kerugiannya adalah lambat dalam mencapai tekanan operasi pada saat awal.
12
Gambar 2.1: Diagram Sederhana Fire/Shell Tube Boiler
2.1.2 Water Tube Boiler
Pada water tube boiler, air umpan boiler mengalir melalui pipa-pipa masuk kedalam drum. Air yang tersirkulasi dipanaskan oleh gas pembakar membentuk steam pada daerah uap dalam drum. Boiler ini dipilih jika kebutuhan steam dan tekanan steam sangat tinggi seperti pada kasus boiler untuk pembangkit tenaga. Water tube boiler yang sangat modern dirancang dengan kapasitas steam antara 4.500 – 12.000 ton/jam, dengan tekanan sangat tinggi. Banyak water tube boilers yang dikonstruksi secara paket jika digunakan bahan bakar minyak bakar dan gas. Untuk water tube yang menggunakan bahan bakar padat, tidak umum dirancang secara paket. Cocok untuk produksi uap dalam jumlah besar dengan jenis superheated steam. Harga relatif mahal karena konstruksinya besar, juga bereaksi cepat terhadap perubahan beban, sementara kelembaban termal relatif lebih kecil.
13
Karakteristik water tube boilers sebagai berikut: Forced, induced dan balanced draft membantu untuk meningkatkan efisiensi pembakaran. Kurang toleran terhadap kualitas air
yang dihasilkan dari
plant
pengolahan air. Memungkinkan untuk tingkat efisiensi panas yang lebih tinggi.
Gambar 2.2: Diagram Sederhana Water Tube Boiler
2.1.3 Packaged Boiler
Disebut boiler paket sebab sudah tersedia sebagai paket yang lengkap. Pada saat dikirim ke pabrik, hanya memerlukan pipa steam, pipa air, suplai bahan bakar dan sambungan listrik untuk dapat beroperasi. Paket boiler biasanya merupakan tipe shell and tube dengan rancangan fire tube dengan transfer panas baik radiasi maupun konveksi yang tinggi.
14
Ciri-ciri dari packaged boilers adalah: Kecilnya ruang pembakaran dan tingginya panas yang dilepas menghasilkan penguapan yang lebih cepat. Banyaknya jumlah pipa yang berdiameter kecil membuatnya memiliki perpindahan panas konvektif yang baik. Sistim forced atau induced draft menghasilkan efisiensi pembakaran yang baik. Sejumlah lintasan/pass menghasilkan perpindahan panas yang lebih baik. Tingkat efisiensi thermisnya yang lebih tinggi dibandingkan boiler lainnya.
Gambar 2.3: Jenis Packaged Boiler
2.2
Prinsip Pembakaran Proses Pembakaran adalah reaksi kimia antara unsur-unsur yang ada didalam
bahan bakar dengan oksigen (O2) yangberasal dari udara berlangsung dalam waktu relatif singkat disertai dengan pelepasan energi panas dalam jumlah besar. Hasil pembakaran yang utama adalah karbondioksida (CO2), uap air (H2O) dan disertai
15
energi panas. Sedangkan hasil pembakaran yang lain berupa karbonmonoksida (CO), abu (ash), NO2 atau SOx tergantung dari jenis bahan bakar yang digunakan. Proses pembakaran pada kegiatan industri berlangsung didalam suatu alat yang disebut dapur (Boiler). Untuk membakar bahan bakar dengan oksigen dibutuhkan suatu peralatan berupa burner. Pembakaran yang sempurna antara unsur-unsur yang mudah terbakar dari bahan bakar dengan oksigen dari udara memerlukan 3 (tiga) syarat : Waktu yang singkat untuk pembakaran Turbulensi atau pencampuran yang baik Temperatur yang cukup tinggi untuk penyalaan Turbulensi merupakan faktor yang sangat menentukan agar bahan bakar dan udara dapat bercampur dengan baik, sehingga diperoleh pembakaran yang sempurna. Apabila bahan bakar dan udara tercampur dengan baik dan singkat, maka diperoleh temperatur yang sangat tinggi. Panas yang terkandung dalam bahan bakar dikonversi sebagai panas pembakaran, yaitu panas reaksi antara oksigen dengan unsur yang dapat terbakar dalam bahan bakar (karbon, hidrogen). Reaksi pembakaran dapat digolongkan dalam 3 (tiga) jenis yaitu: 1. Pembakaran lengkap dan sempurna Pembakaran lengkap dan sempurna adalah semua unsur Karbon (C) dan Hidrogen (H) yang dibakar menjadi CO2 da H2O, dimana udara
16
(yang dalam hal ini O2) yang dibutuhkan cukup untuk membakar unsur C dan H sehingga tidak ada O2 yang tersisa. C
+
O2
--------> CO2
+ heat
2H2 +
O2
---------> 2H2O + heat
2. Pembakaran lengkap tidak sempurna Pembakaran lengkap tidak sempurna yang dimaksud adalah proses pembakaran yang masih menghasilkan sisa O2. Pada proses pembakaran ini, udara yang digunakan lebih banyak dari kebutuhannya. Hal ini disebut Excess Air . C +O2 ---------> CO2 + O2 + heat 2H2 + O2 ---------> 2H2O
+ O2 + heat
3. Pembakaran tidak sempurna. Adalah pembakaran dimana unsur Karbon (C) tidak terbakar seluruhnya karena kekurangan udara pembakaran (O2), sehingga unsur Karbon (C) yang tidak terbakar akan menjadi CO. C + 1/2O2 --------->
CO +
heat
Jumlah udara aktual tergantung beberapa faktor, antara lain: Jenis bahan bakar serta komposisinya Desain ruang bakar Boiler Kapasitas pembakaran atau firing rate (optimum 70 – 90 %) Desain dan pengaturan burner
17
2.3
Pengkajian Boiler evaluasi Kinerja boiler (melalui metode langsung dan tidak langsung termasuk
contoh perhitungan efisiensi), blowdown boiler, dan pengolahan air boiler. 2.3.1 Evaluasi Kinerja Boiler Parameter kinerja boiler, seperti efisiensi dan rasio penguapan, berkurang terhadap waktu disebabkan buruknya pembakaran, kotornya permukaan penukar panas dan buruknya operasi dan pemeliharaan. Bahkan untuk boiler yang baru sekalipun, alasan seperti buruknya kualitas bahan bakar dan kualitas air dapat mengakibatkan buruknya kinerja boiler. Neraca panas dapat membantu dalam mengidentifikasi kehilangan panas yang dapat atau tidak dapat dihindari. Uji efisiensi boiler dapat membantu dalam menemukan penyimpangan efisiensi boiler dari efisiensi terbaik dan target area permasalahan untuk tindakan perbaikan. 2.3.1.1 Neraca Panas Proses pembakaran dalam boiler dapat digambarkan dalam bentuk diagram alir energi. Diagram ini menggambarkan secara grafis tentang bagaimana energi masuk dari bahan bakar diubah menjadi aliran energi dengan berbagai kegunaan dan menjadi aliran kehilangan panas dan energi. Panah tebal menunjukan jumlah energi yang dikandung dalam aliran masing-masing.
18
Gambar 2.4: Diagram Neraca Energi Boiler
Neraca panas merupakan keseimbangan energi total yang masuk boiler terhadap yang meninggalkan boiler dalam bentuk yang berbeda. Gambar berikut memberikan gambaran berbagai kehilangan yang terjadi untuk pembangkitan steam. Kehilangan energi dapat dibagi kedalam kehilangan yang tidak atau dapat dihindarkan. Tujuan dari Produksi Bersih dan/atau pengkajian energi harus mengurangi kehilangan yang dapat dihindari, dengan meningkatkan efisiensi energi. Kehilangan berikut dapat dihindari atau dikurangi:
Kehilangan gas cerobong: Udara berlebih (diturunkan hingga ke nilai minimum yang tergantung dari teknologi burner, operasi (kontrol), dan pemeliharaan). Suhu gas cerobong (diturunkan dengan mengoptimalkan perawatan (pembersihan), beban; burner yang lebih baik dan teknologi boiler).
Kehilangan karena bahan bakar yang tidak terbakar dalam cerobong dan abu (mengoptimalkan operasi
dan pemeliharaan;
lebih baik). 19
teknologi
burner
yang
Kehilangan dari blowdown (pengolahan air umpan segar, daur ulang kondensat)
Kehilangan kondensat (manfaatkan sebanyak mungkin kondensat)
Kehilangan konveksi dan radiasi (dikurangi dengan isolasi boiler yang lebih baik)
2.3.1.2 Efisiensi Boiler (UNEP, 2006)
menyatakan efisiensi termis boiler didefinisikan sebagai
“persen energi (panas) masuk yang digunakan secara efektif pada steam yang dihasilkan”. Terdapat dua metode pengkajian efisiensi boiler:
Metode Langsung: Dalam menentukan efisiensi Boiler (Sam G. Dukelow, 1981) dikenal juga sebagai “metode input-output” bahwa metode ini hanya memerlukan keluaran/output steam dan panas masuk/input (bahan bakar) untuk mengevaluasi efisiensi. Efisiensi ini dapat dievaluasi dengan menggunakan rumus:
20
Dimana : SF
= Jumlah steam yang dihasilkan Boiler (kg/jam)
h1
= Enthalpy steam pada tekanan dan temperature Boiler (kJ/kg)
h2
= Enthalpy fluida pada temperature feed water (kJ/kg)
SF
= Jumlah blowdown ke Flash tank, dihitung berdasarkan hasil analisa feed water (kg/jam)
h3
= Enthalpy fluida pada tekanan steam (kJ/kg)
SF
= Jumlah aliran fuel gas (kg/jam)
HHV = Kandungan kalori bahan bakar (kJ/kg) Berikut balance baik massa maupun energy terkait metode langsung:
Gambar 2.5 : Massa dan Energi Balance Sederhana Boiler
Keuntungan Metode Langsung :
Pekerja pabrik dapat dengan cepat mengevaluasi efisiensi boiler Memerlukan sedikit parameter untuk perhitungan Memerlukan sedikit instrumen untuk pemantauan
21
Mudah membandingkan rasio penguapan dengan data benchmark Kerugian Metode Langsung :
Tidak memberikan petunjuk kepada operator tentang penyebab dari efisiensi sistim yang lebih rendah Tidak menghitung berbagai kehilangan yang berpengaruh pada berbagai tingkat efisiensi
Metode Tidak Langsung: Dalam menentukan efisiensi Boiler, ini merupakan perbedaan antara
kehilangan dan energi yang masuk atau sering disebut sebagai metode
“Heat
Losses”. Standar acuan untuk Uji Boiler di Tempat dengan menggunakan metode tidak langsung adalah British Standard, BS 845:1987 dan USA Standard ASME PTC4-1 Power Test Code Steam Generating Units. Efisiensi
dapat
dihitung
dengan
mengurangkan
bagian
kehilangan
dari 100 sebagai berikut:
Dimana : i.
= Gas cerobong yang kering
ii.
= Penguapan air yang terbentuk karena H2 dalam bahan bakar
iii.
= Penguapan kadar air dalam bahan bakar
iv.
= Adanya kadar air dalam udara pembakaran
v.
= Bahan bakar yang tidak terbakar dalam abu terbang/ fly ash
22
panas
vi.
= Bahan bakar yang tidak terbakar dalam abu bawah/ bottom ash
vii.
= Radiasi dan kehilangan lain yang tidak terhitung
Prosedur rinci untuk perhitungan efisiensi boiler menggunakan metode tidak langsung diberikan dibawah:
Menghitung Kebutuhan Udara Teoritis: = [(11,43 x C) + {34,5 x (H2 – O2/8)} + (4,32 x S)]/100 kg/kg bahan bakar Dimana: H2, O2, S, C, kadar air, kadar abu adalah analisis bahan bakar
Menghitung Persen Kelebihan Udara yang dipasok (EA):
Menghitung Massa Udara sebenarnya yang dipasok/kg Bahan Bakar (AAS): = {1 + EA/100} x udara teoritis
Menghitung Perkiraan Seluruh Kehilangan Panas: - Prosentase kehilangan panas yang diakibatkan oleh gas buang kering
Dimana:
m
= Massa gas buang kering (kg/kg) bahan bakar
Tf
= Temperatur gas buang (0C)
Ta
= Temperatur ambiem dalam (0C)
GCV = Kandungan kalori bahan bakar (kkal/kg) Cp
= Panas jenis gas buang (0,23 kkal/kg)
23
- Prosentase kehilangan panas karena penguapan air yang terbentuk karena adanya gas H2 dalam bahan bakar : 9 x H2 {584+Cp (Tf-Ta)} x 100 = -------------------------------------GCV bahan bakar Dimana:
H2
= persen H2 dalam i kg bahan bakar
Cp
= Panas jenis steam superheated (0,45 kkal/kg)
- Prosentase kehilangan panas karena penguapan kadar air dalam bahan bakar : M {584+Cp (Tf-Ta)} x 100 = -------------------------------------GCV bahan bakar Dimana:
M
= persen kadar air dalam i kg bahan bakar
Cp
= Panas jenis steam superheated (0,45 kkal/kg)
- Prosentase kehilangan panas kadar air dalam udara AAS x faktor kelembaban x Cp (Tf-Ta)} x 100 = --------------------------------------------------GCV bahan bakar Cp
= Panas jenis steam superheated (0,45 kkal/kg)
- Persen kehilangan panas karena bahan bakar yang tidak terbakar dalam abu terbang/ fly ash Total abu terkumpul/kg bahan bakar yg terbakar x GCV abu terbang x 100 = ----------------------------------------------------------------------------------------GCV bahan bakar 24
- Persen kehilangan panas karena bahan bakar yang tidak terbakar dalam abu bawah/ bottom ash Total abu terkumpul/kg bahan bakar yg terbakar x GCV abu bawah x 100 = ----------------------------------------------------------------------------------------GCV bahan bakar - Persen kehilangan panas karena radiasi dan kehilangan lain yang tidak terhitung. Disini Kehilangan radiasi dan konveksi aktual sulit dikaji sebab daya emisifitas permukaan yang beraneka ragam, kemiringan, pola aliran udara, dll. Pada boiler yang relatif kecil, dengan kapasitas 10 MW, kehilangan radiasi dan yang tidak terhitung dapat mencapai 1 hingga 2 persen nilai kalor kotor bahan bakar, sementara pada boiler 500 MW nilainya 0,2 hingga 1 persen. Kehilangan dapat diasumsikan secara tepat tergantung pada kondisi permukaan
Menghitung Efisiensi Boiler :
Keuntungan metode tidak langsung Dapat diketahui neraca bahan dan energi yang lengkap untuk setiap aliran, yang dapat memudahkan dalam mengidentifikasi opsi-opsi untuk meningkatkan efisiensi boiler. Kerugian metode tidak langsung Perlu waktu lama Memerlukan fasilitas laboratorium untuk analisis
25
2.4
Blowdown Boiler Jika air dididihkan dan dihasilkan steam, padatan terlarut yang terdapat dalam
air akan tinggal di boiler. Jika banyak padatan terdapat dalam air umpan, padatan tersebut akan terpekatkan dan akhirnya akan mencapai suatu tingkat dimana kelarutannya dalam air akan terlampaui dan akan mengendap dari larutan. Diatas tingkat konsenrasi tertentu, padatan tersebut mendorong terbentuknya busa dan menyebabkan terbawanya air ke steam. Endapan juga mengakibatkan terbentunya kerak di bagian dalam boiler, mengakibatan pemanasan setempat menjadi berlebih dan akhirnya menyebabkan kegagalan pada pipa boiler. Oleh karena itu penting untuk mengendalikan tingkat konsentrasi padatan dalam suspensi dan yang terlarut dalam air yang dididihkan. Hal ini dicapai oleh proses yang disebut „blowing down‟, dimana sejumlah tertentu volume air dikeluarkan dan secara otomatis diganti dengan air umpan – dengan demikian akan tercapai tingkat optimum total padatan terlarut (TDS) dalam air boiler dan membuang padatan yang sudah rata keluar dari larutan dan yang cenderung tinggal pada permukaan boiler. Blowdown penting untuk melindungi permukaan penukar panas pada boiler. Walau demikian, Blowdown dapat menjadi sumber kehilangan panas yang cukup berarti, jika dilakukan secara tidak benar.
26
Di dalam unit Boiler terdapat dua macam sistem blowdown yaitu: 1. Continuous blowdown: Adalah pembuangan zat-zat yang ada dalam
air drum atas Boiler secara
kontinyu. penggantian aliran masuk air umpan yang tetap dan konstan. Hal ini menjamin TDS yang konstan dan kemurnian steam pada beban steam tertentu. Kran blowdown hanya diatur satu kali untuk kondisi tertentu, dan tidak perlu lagi diatur setiap saat oleh operator. Walaupun sejumlah besar panas diambil dari boiler, tetapi ada peluang pemanfaatan kembali panas ini dengan mengembuskannya ke flash tank dan mengasilkan flash steam. Flash steam ini dapat digunakan untuk pemanasan awal air umpan boiler. Jenis blowdown ini umum digunakan pada boiler bertekanan tinggi. Residu blowdown yang meninggalkan flash vessel masih mengandung energi panas yang cukup dan dapat dimanfaatkan kembali dengan me masang sebuah penukar panas untuk memanaskan air make-up dingin. Sistim pemanfaatan kembali panas blowdown yang lengkap seperti yang digambarkan dibawah dapat memanfaatkan hingga 80% energi yang terkandung dalam blowdown, yang dapat diterapkan pada berbagai ukuran boiler steam dengan waktu pengembalian modalnya bisa kembali hanya dalam beberapa bulan. 2. Intermittent Blowdown: Yaitu pembuangan zat-zat air pada Boiler yang mengendap secara periodik dari drum bawah yang sering disebut drum lumpur (mud drum). Blowdown yang
27
sewaktu-waktu dioperasikan secara manual menggunakan sebuah kran yang dipasang pada pipa pembuangan pada titik terendah shell boiler untuk mengurangi parameter (TDS atau konduktivitas, pH, konsentasi Silica dan Fosfat) dalam batasan yang sudah ditentukan sehingga tidak berpengaruh buruk terhadap kualitas steam. Jenis blowdown ini juga merupakan metode efektif untuk membuang padatan yang telah lepas dari larutan dan menempati pipa api dan permukaan dalam shell boiler. Pada blowdown yang sewaktu-waktu, jalur yang berdiameter besar dibuka untuk waktu sesaat, yang didasarkan pada aturan umum misalnya “sekali dalam satu shift untuk waktu 2 menit”. Blowdown yang sewaktu-waktu menyebabkan harus ditambahkannya air umpan ke dalam boiler dalam jumlah besar dan dalam waktu singkat, sehingga membutuhkan pompa air umpan yang lebih besar daripada jika digunakan blowdown kontinyu. Juga, tingkat TDS akan bervariasi, sehingga menyebabkan fluktuasi ketinggian air dalam boiler karena perubahan dalam ukuran gelembung steam dan distribusinya yang setara dengan perubahan dalam konsentrasi padatan. Juga, sejumlah besar energi panas hilang karena blowdown yang sewaktu-waktu. Berdasarkan Operation Book for Steam Generating Unit Boiler HHP V oleh IHI, maka perhitungan % blowdown berdasarkan data rata-rata pengamatan dapat dihitung berdasarkan rumus sebagai berikut:
28
Keterangan: = Konsentrasi impurities dalam air umpan ketel (ppm) = Harga standar impurities dalam air ketel (ppm) Atau dapat juga dihitung dengan rumus sebagai berikut:
Keterangan: G = Produksi steam (ton/jam) W = Jumlah aliran boiler feed water (ton/jam) w = Jumlah aliran continuous blowdown (ton/jam) X = Persentase blowdown ke jumlah aliran boiler feed water (%) Pengendalian blowdown boiler yang baik dapat secara signifikan menurunkan biaya perlakuan dan operasional yang meliputi:
Biaya perlakuan awal lebih rendah
Konsumsi air make-up lebih sedikit
Waktu penghentian untuk perawatan menjadi berkurang
Umur pakai boiler meningkat
Pemakaian bahan kimia untuk pengolahan air umpan menjadi lebih rendah
29
2.5 Peluang Efisiensi Energi Boiler peluang efisiensi energi hubungannya dengan pembakaran, perpindahan panas, kehilangan yang dapat dihindarkan, konsumsi energi untuk alat pembantu, kualitas air dan blowdown. Kehilangan energi dan peluang efisiensi energi dalam boiler dapat dihubungkan dengan pembakaran, perpindahan panas, kehilangan yang dapat dihindarkan, konsumsi energi yang tinggi untuk alat-alat pembantu, kualitas air dan blowdown. Berbagai macam peluang efisiensi energi dalam sistim boiler dapat dihubungkan dengan: Pengendalian suhu cerobong Pemanasan awal air umpan menggunakan economizers Pemanas awal udara pembakaran Minimalisasi pembakaran yang tidak sempurna Pengendalian udara berlebih Penghindaran kehilangan panas radiasi dan konveksi Pengendalian blowdown secara otomatis Pengurangan pembentukan kerak dan kehilangan jelaga Pengendalian beban boiler Penjadwalan boiler yang tepat Penggantian boiler
30
Qb, Qc, Qd, Qe Radian Heat
Atomizing Steam
Steam Drum
Q8
Qf
Flue Gas
Steam
Superheater
Qa
E-1
Qg
Blowdown
Fuel Oil & Gas
Economizer
Q2, Q3, Q4, Q5 V-1
Q6, Q7 Udara
Water Drum
E-2
Q1 Feed Water
Gambar 2.6 : Diagram Sederhana HHP Boiler VI
2.6 2.6.1
Metodologi Sistem Dinamik Sistem Menurut (Ghafiqie A, 2012), segala sesuatu terjadi mengikuti suatu aturan
tertentu seperti air yang mengalir dari tempat yang tinggi ke tempat yang rendah. Sama halnya dengan dunia nyata, segala sesuatu didunia nyata berperilaku mengikuti aturan tertentu. Suatu pendekatan yang dapat digunakan untuk mempelajari dunia nyata adalah pendekatan sistem, yaitu studi pengenalan dunia nyata melalui pemilahan dunia nyata tersebut kepada bagian-bagiannya. Unsur dan proses penyusun bagian tersebut kemudian diindentifikasi, dikaraterisasi dan selanjutnya dirakit
31
kembali dalam suatu kesatuan struktur (sistem) untuk menghasilkan hasil akhir atau tujuan yang diharapkan. 2.6.1.1 Definisi Sistem Secara luas, sistem dapat didefinisikan sebagai keseluruhan interaksi antar unsur dari sebuah objek dalam batasan lingkungan tertentu yang bekerja untuk mencapai tujuan. Sistem dapat didefinisikan sebagai kelompok komponen yang beroperasi secara bersama-sama untuk mencapai tujuan tertentu (Forrester, 1961) Sistem adalah bagian dari dunia nyata yang terdiri dari berbagai unsur . sistem merupakan sekumpulan komponen dan proses yang saling berinteraksi yang dirancang berdasarkan konsep yang dikembangkan sesuai dengan tujuan yang diinginkan. Sistem didefinisikan sebagai kumpulan elemen yang bersama-sama berfungsi untuk mencapai tujuan yang diinginkan. Sistem merupakan sekumpulan entity yang bertindak dan berinteraksi bersama-sama untuk memnuhi tujuan akhir yang logis. Sebuah sistem adalah suatu keseluruhan yang terdiri dari 2 (dua) bagian atau lebih (i) masing-masing dapat mempengaruhi kinerja atau sifat dari keseluruhan, (ii) tidak ada yang dapat memiliki efek independen pada keseluruhan, (iii) tidak ada subkelompok yang dapat memiliki efek independen secara keseluruhan. Dapat dikatakan juga, sistem adalah suatu keseluruhan yang tidak dapat dibagi menjadi bagian-bagian independen
atau
subkelompok
bagian.
Pada
tahun
1995,
Daellembach
menyempurnakan definisi sistem sebagai sekumpulan entitas, baik barang maupun
32
orang yang berhubungan satu sama lain menurut cara tertentu dan diorganisasikan untuk suatu tujuan. Sistem juga dapat didefinisikan sebagai seperangkat elemen yang saling berhubungan yang koheren dalam cara tertentu yang mencapai tujuan tertentu (Donella, 2009). Dari definisi-definisi sistem yang telah disampaikan oleh para ahli, kesimpulan dari sistem merupakan kesatuan entitas atau elemen atau komponen yang saling berinteraksi pada lingkungan atau kondisi tertentu. Suatu sistem paling tidak terbentuk atas beberapa hal, yaitu : 1. Elemen 2. Interkoneksi 3. Fungsi atau tujuan 4. Batasan sistem (system boundary) 2.6.1.2 Jenis-Jenis Sistem Berdasarkan keluaran (output) sistem terhadap kondisi sistem, sistem dapat dibedakan menjadi : Sistem Terbuka Suatu sistem dimana output merupakan hasil dari input, namun output terpisah dan tidak memiliki pengaruh terhadap input awal (terisolasi). Sistem ini tidak mengamati maupun bereaksi dengan performanya sendiri sehingga tidak memiliki kendali atas perilakunya dimasa mendatang.
33
Sistem Tertutup Disebut juga feedback system, dimana sistem yang memiliki struktur umpan balik (loop) yang tertutup yang membawa hasil dari tindakan dimasa lalu (output sebelumnya) kembali untuk mengendalikan tindakan (input saat ini) di masa mendatang. Umpan balik dapat dibedakan menjadi 2 (dua) jenis, yaitu umpan balik positif (+) dan umpan balik negatif (-). Umpan balik positif membangkitkan pertumbuhan, dimana suatu kejadian hasilnya akan memperbesar kejadian berikutnya, sedangkan umpan balik negatif selalu berusaha mencapai keseImbangan dengan memberikan koreksi kegagalan dalam mencapai tujuan. Sebuah umpan balik membutuhkan 2 (dua) faktor penting untuk menjalankan operasinya, yaitu :
Perbedaan antara hasil aktual dengan yang diinginkan
Kebijakan yang menentukan aksi yang akan dilakukan terhadap suatu nilai perbedaan.
Berdasarkan perubahan kondisi sistem terhadap waktu, sistem dapat dibedakan menjadi : Sistem diskrit : Dimana status sistem berubah secara diskrit
34
Sistem kontinyu : Dimana status sistem berubah secara kontinyu, sehingga jumlah status/kondisi sistem yang mungkin terjadi adalah tak terhingga bahkan setiap variable dibatasi suatu range yang kecil. 2.6.1.3 Variable-variable Sistem Dalam mendesain sebuah sistem yang baru atau membuat perbaikan membutuhkan tidak hanya identifikasi sederhana elemen dan tujuan sistem, melainkan pemahaman tentang bagaimana elemen tersebut saling mempengaruhi. Ada 3 (tiga) tipe variable sistem yang perlu dipahami untuk hubungan-hubungan dalam sistem, yaitu : Variable Keputusan Ketika melakukan eksperimen, variable keputusan terkadang ditujukan untuk variable bebas. Ini akan mempengaruhi perilaku sistem. Variable bebas ada yang dapat dikontrol dan ada pula yang tidak dapat dikontrol. Variable yang dapat dikontrol disebut sebagai variable keputusan karena peneliti selaku penentu keputusan (decision maker) mengontrol nilainilai dari variable tersebut. Variable Respon Variable ini disebut sebagai performance atau output variable yaitu mengukur performa sistem yang merupakan hasil dari respon pengaturan variable input tertentu. Variable respon tergolong variable
35
tidak bebas yang tergantung pada pengaturan nilai variable bebas. Tujuan dari perencanaan sistem sebenarnya adalah untuk mengetahui nilai-nilai pengaturan untuk variable keputusan yang memberikan respon yang diinginkan Variable Statis Variable statis adalah variable yang mengindikasikan status sistem pada titik waktu tertentu. Variable respon seringkali merupakan rangkuman dari variable statis yang berubah menurut waktu 2.6.1.4 Optimasi Sistem Menentukan pengaturan yang tepat untuk variable-variable keputusan agar dapat memnuhi tujuan kinerja disebut sebagai optimasi. Secara khusus optimasi ditujukan untuk mencari atau menentukan kombinasi terbaik dari nilai-nilai variable keputusan yang meminimumkan/memaksimumkan beberapa fungsi objektif. Fungsi objektif merupakan variable respon dari sistem. 2.6.1.5 Cara Mempelajari Sistem Suatu sistem dipelajari karena kebutuhan untuk mengkaji hubungan antar berbagai komponen/memprediksi kinerja dari sistem pada kondisi yang berbeda. Adapun cara mempelajari sistem dapat dilihat pada gambar 2.7
36
Gambar 2.7. Cara Mempelajari Sistem
2.6.2 Model Model didefinisikan sebagai sebuah sistem matematis atau fisik yang memenuhi beberapa kondisi tertentu yang perilakunya digunakan untuk memahami sistem fisik, sosial atau biologi secara analogi. Model merupakan representasi bagianbagian penting dari suatu sistem sehingga dapat menghadirkan pengetahuan terhadap sistem yang mudah digunakan (Eykhoff, 1974), sehingga model merupakan representasi sederhana dari suatu sistem sebagai pengganti suatu objek. Model dibuat dengan tujuan mempelajari dan meningkatkan pemahaman terhadap sistem sehingga model merupakan penyederhanaan dari sistem, namun cukup detail untuk membuat keputusan terhadap sistem tersebut.
37
Menurut (Sterman,1981) prinsip-prinsip untuk membuat model dinamik dengan ciriciri seperti yang diuraikan di atas adalah sebagai berikut: 1.
keadaan yang diinginkan dan keadaan yang sebenarnya terjadi harus dibedakan di dalam model;
2. adanya struktur stok dan aliran dalam kehidupan nyata harus dapat direpresentasikan di dalam model; 3. aliran-aliran yang berbeda secara konseptual, di dalam model harus dibedakan; 4. hanya informasi yang benar-benar tersedia bagi aktor-aktor di dalam sistem yang harus digunakan dalam pemodelan keputusannya; 5. struktur kaidah pembuatan keputusan di dalam model haruslah sesuai (cocok) dengan praktik-praktik manajerial; dan 6. model haruslah robust dalam kondisi-kondisi ekstrem. Mengenai robust-nya (sempurnanya) sebuah model, menurut Sterman sejumlah pengujian tertentu perlu dilakukan terhadap sehingga pada gilirannya akan meningkatkan keyakinan pengguna terhadap kemampuan model di dalam mengungkapkan sistem yang diwakilinya. Keyakinan ini menjadi dasar bagi kesahihan model. Bila kesahihan model telah dapat dicapai, simulasi selanjutnya dapat digunakan untuk merancang kebijakan-kebijakan yang efektif. Model dikembangkan dengan tujuan untuk studi tingkah laku sistem melalui analisis rinci akan komponen interaksi antara satu dengan yang lainnya. Model dibedakan
38
atas 2 (dua) bagian, yaitu model fisik dan model matematis. Terkadang model fisik cukup berguna dalam mempelajari suatu sistem rekayasa, namun yang lebih banyak dipakai adalah model matematis. Model matematis dibangun dalam bentuk relasi logis dan kuantitatif yang kemudian dimanipulasi atau diubah untuk mengetahui reaksi yang ditimbulkan oleh model tersebut. Dari model matematis yang dibangun harus diuji untuk mengetahui apakah model tersebut mampu digunakan untuk menjawab pertanyaan atas sistem yang direpresentasikan.
Jika
model
dibangun
sederhana
dimungkinkan
untuk
menggunakan hubungan atau besaran ayang ada dalam model untuk mendapatkan solusi analitis. Jika sistem memiliki kompleksitas yang tinggi, maka model dipelajari dengan cara simulasi. Pemodelan dengan pendekatan dinamika sistem dianggap sebagai suatu perencanaan yang dapat digunakan untuk memperkirakan suatu kejadian yang mungkin terjadi di masa mendatang, mencari alternatif penyelesaian suatu masalah dan meningkatkan kehandalan sutu sistem agar diperoleh hasil yang optimal. Prosedur pembuatan model dimulai dengan mengenali faktor-faktor yang mempengaruhi terjadinya suatu masalah, diuraikan dalam suatu deskripsi verbal yang diterjemahkan menjadi diagram causal (hubungan sebab-akibat), kemudian baru dilakukan suatu sistem perhitungan. Tahapan model dapat dilihat pada gambar dibawah.
39
Definisi Masalah
Pengertian
Pembuatan Konsep
Pengembangan Model
Karakteristik Model
Teknis
Perbaikan
Evaluasi Model
Analisa Kebijakan dan Penggunaan Model
Gambar 2.8 Tahapan Proses Pembuatan Model Keterangan : Definisi Masalah Mengidentifikasi dan menetapkan masalah yang akan dianalisis dalam suatu sistem merupakan langkah awal dalam proses pemodelan Pembuatan Konsep Proses pembuatan konsep adalah perumusan sementara model, dimana sistem disajikan dalam hubungan sebab-akibat (causal loop diagram) Penggambaran Model Digambarkan dalam bentuk penulisan program komputer, untuk selanjutnya diproses dengan menggunakan perangkat lunak yang tersedia Tingkah Laku Model Merupakan proses untuk menganalisa perilaku seluruh variable sistem dalam suatu jangka waktu yang ingin ditentukan
40
Evaluasi Model Untuk memriksa ketepatan serta keabsahan model dalam menggambarkan karakteristik dinamik dibutuhkan beberapa pengujian untuk menguji ketepatan parameter yang digunakan dalam simulasi Analisa Kebijakan dan Penggunaan Model Hasil yang didapat dari proses evaluasi model dijadikan parameter untuk menentukan kehandalan model 2.6.3 Simulasi Oleh (Muhammadi,(2001), simulasi didefinisikan sebagai peniruan perilaku suatu gejala atau proses. Simulasi bertujuan untuk memahami gejala atau proses tersebut, membuat analisis dan peramalan perilaku gejala atau proses tersebut di masa depan. Simulasi merupakan salah satu alat analisis yang terpercaya bagi perancangan dan pengoperasian proses atau sistem yang rumit. Dengan semakin meningkatnya persaingan dunia, simulasi menjadi alat yang sangat cocok untuk perencanaan, perancangan dan pengawasan bagi sebuah sistem. Simulasi merupakan sebuah tiruan dari sebuah cara operasi di dunia nyata. Simulasi adalah proses yang diperlukan untuk operasionalisasi model, atau penanganan model untuk meniru tingkah-laku sistem yang sesungguhnya. Ini meliputi berbagai kegiatan seperti penggunaan diagram alir dan logika komputer, serta penulisan kode komputer dan penerapan kode tersebut pada komputer untuk menggunakan masukan dan menghasilkan keluaran yang diinginkan. Pada
41
prakteknya, pemodelan dan simulasi adalah proses yang berhubungan sangat erat, dan beberapa penulis membuat batasan simulasi yang mencakup pemodelan. Simulasi dijelaskan sebagai pembuatan model dari suatu proses atau sistem dengan uatu cara yang mengimitasi respon dari sistem aktual terhadap kejadiankejadian yang terjadi menurut waktu (Schriber, n.d.). Simulasi adalah proses mendesain model dari sistem nyata dan melakukan eksperimen dengan model tersebut baik untuk tujuan memahami perilaku sistem maupun mengevaluasi berbagai strategi untuk operasi sistem tersebut (Shannon, n.d.). Simulasi adalah proses untuk melakukan atau menjalankan percobaan pada suatu model dari sistem yang dirancang. Jadi bukan melakukan percobaan terhadap sistem yang sebenarnya. Simulasi adalah teknik yang sangat berguna untuk menganalisa maupun merangkai model dari suatu sistem (Budhijakto Atmosasmito, 2000). Perilaku dari suatu sistem sesuai perkembangannya sepanjang waktu dipelajari dengan mengembangkan model simulasi. Model ini biasanya diambil dari sejumlah asumsi yang berkaitan dengan operasi sistem. Asumsi ini diekspresikan dalam hubungan matematis, logis, dan simbolis antara elemen-elemen dalam sistem. Melalui model, kita mengabstraksikan beberapa sistem nyata yang dapat digunakan untuk memperoleh prediksi dan memformulasikan strategi pengontrolan sistem. Simulasi merupakan salah satu pendekatan yang paling penting dalam pengambilan keputusan.
42
Beberapa keuntungan dari simulasi sebagai berikut:
Dapat digunakan untuk mengangalisa situasi dunia nyata yang besar dan kompleks yang tidak dapat dipecahkan oleh model analisa kuantitatif konvensional.
Kadangkala simulasi adalah satu‐satunya metode yang memungkinkan. Peneliti kadangkala karena berbagai sebab tidak bisa mengobservasi langsung objek penelitiannya, maka perlu dilakukan simulasi.
Simulasi memungkinkan adanya pertanyaan “bagaimana jika / kalau?” (what if question)
Simulasi mampu meningkatkan kualitas kerja karena simulasi mampu menampung banyak informasi lebih banyak dan lebih konsisten apabila dibandingkan dengan kemampuan manusia.
Simulasi tidak mengganggu sistem dunia nyata
Dengan simulasi dapat dipelajari efek interaktif dari suatu komponen atau variabel individual untuk menentukan mana yang penting.
Simulasi memungkinkan penghematan waktu karena mampu bekerja cepat.
Simulasi dapat mengikutsertakan komplikasi dunia nyata yang model kuantitatif pada umumnya tidak bisa. Pemakaian “ceteris paribus” bisa dikurangi.
43
Selain memiliki kelebihan, simulasi juga memiliki kekurangan. Kekurangan dari simulasi antara lain :
Model simulasi yang baik mungkin akan sangat mahal dan biasanya merupakan proses yang panjang dan rumit
Simulasi tidak menghasilkan solusi optimal dari permasalahan seperti teknik analisa kuantitatif yang lain.
Harus dijalankan semua kondisi dan hambatan untuk mendapatkan solusi yang ingin diuji. Model simulasi tidak menghasilkan jawaban dengan sendirinya.
Tiap model simulasi adalah unik. Solusi dan kesimpulannya tidak dapat digunakan untuk permasalahan lain. Terdapat dua pendekatan untuk melakukan simulasi, yaitu fast-time simulation dan real-time simulation. Fast-time simulation adalah pendekatan berbasis skenario untuk menguji sistem berbasis pengetahuan. Pendekatan ini digunakan untuk menguji kemampuan dasar pemecahan masalah dari sistem berbasis pengetahuan dan untuk menyempurnakan basis pengetahuan. Real-time simulation menggunakan lingkungan realistis yang dapat memberikan manusia perasaan yang nyata dan pakar untuk mengevaluasi kemampuan pemecahan masalah dari sistem pakar secara langsung.
44
2.6.4 Sistem Dinamik Sistem Dinamis (Teten W. Avianto, 2010) adalah metodelogi untuk mempelajari dan mengelola sistem-sistem umpan balik (feed back) yang komplek. Pemahaman yang benar terhadap sistem dapat diperoleh dengan melihat hubungan saling terkait itu secara keseluruhan dan tidak dipisah-pisahkan. Sistem dinamis (Jurnal, 2009) merupakan suatu cara berpikir tentang sistem sebagai jaringan yang saling behubungan yang mempengaruhi sejumlah komponen yang telah ditetapkan dari waktu ke waktu. Simulasi merupakan prosedur kuantitatif yang menggambarkan suatu proses dengan mengembangkan suatu model dan menerapkan serangkaian uji coba terencana untuk memprediksikan tingkah laku proses sepanjang waktu, sehingga analisis dapat dilakukan untuk sistem yang baru tanpa harus membangunnya atau merubah sistem yang telah ada, serta tidak perlu mengganggu operasi dari sistem tersebut. Dinamika sistem adalah suatu metodologi untuk memahami suatu masalah yang kompleks dengan memusatkan perhatian pada penentuan kebijakan dan bagaimana kebijakan tersebut menentukan perilaku suatu peristiwa dan hubungannya dengan peristiwa lain (Richardson & Pugh, 1983). Pada umumnya simulasi digunakan untuk model-model dinamis yang melibatkan periode waktu ganda. Metodelogi sistem dinamik telah berkembang sejak
dekade 50-an, pertama kali dikembangkan oleh
Jay W. Forrester. Jay W. Forrester (1961) merupakan suatu metode pemecahan masalah-masalah kompleks yang timbul karena adanya kecendrungan sebab-akibat
45
dari berbagai macam variable di dalam system, atau
sebagai penyelesaian atau
perhitungan tahap demi tahap dari persamaan matematika yang menggambarkan keadaan sistem untuk mengetahui perubahan yang terjadi pada sistem tersebut sehingga diketahui perilakunya. Dalam buku ini beliau mendefinisikan Industrial Dynamics sebagai penelitian tentang karakter informasi umpan balik pada sistem industri dan menggunakan model untuk merancang bentuk organisasi yang lebih baik dan penentuan kebijakan. Sistem dinamis adalah metode untuk memperkuat pembelajaran dalam sistem yang kompleks, dan sebagian, adalah sebagai metode untuk membentuk suatu management flight simulator, model simulasi komputer, untuk membantu kita mempelajari kompleksitas dinamis, mengerti sumber resistensi kebijakan, dan mendesain kebijakan yang lebih efektif. Dinamika atau perilaku sistem didefinisikan oleh strukturnya dan interaksi antar komponen-komponennya. Sistem Dinamik (Dynamics system) merupakan metode untuk meningkatkan pemahaman dalam sistem yang kompleks. Sistem dinamik adalah sebuah model yang dapat membantu dalam mempelajari kompleksitas yang berubah terhadap waktu. Memahami sumber pembuatan kebijakan, dan merancang kebijakan yang lebih efektif. Sistem dinamik adalah sesuatu yang berhubungan dengan bagaimana segala sesuatu berubah dari waktu ke waktu.
46
Sistem dinamik dapat diaplikasikan menggunakan simulasi komputer untuk mengambil pengetahuan yang telah dipahami serta memperlihatkan mengapa sistem sosial dan fisik kita berperilaku sebagaimana terjadi saat ini. Fungsi penting dalam perencanaan dengan metode sistem dinamik adalah kita dapat mengetahui terlebih dahulu sistem yang belum terjadi pada rentang waktu sepuluh tahun kedepan atau biasa disebut proyeksi. Dengan mengetahui keadaan yang belum terjadi tersebut maka akan didapat kebijakan yang tepat mengenai penanganan sistem tersebut. Sehingga sistem berjalan sebagaimana yang dikehendaki. Dalam mencapai tujuan tersebut maka dibutuhkan variabel penentu yang dilihat pada sepuluh tahun kebelakang.
2.6.4.1 Berfikir Sistem Berpikir secara sistem adalah cara berpikir dimana sesuatu dipandang sebagai sebuah sistem, yaitu keseluruhan interaksi antarunsur dari sebuah objek dalam batas lingkungan tertentu yang bekerja mencapai tujuan. Sistem bekerja karena adanya struktur hubungan antar unsur di dalamnya. Kinerja sebuah sistem bukanlah merupakan penjumlahan unsur-unsurnya, tetapi merupakan properti tersendiri yang terbentuk dari interaksi antar unsur-unsurnya. Untuk memahami apa itu sistem dinamis perlu kita ketahui terlebih dahulu apa itu berpikir sistem (system thinking) karena berpikir sistem merupakan konsep dasar dari pemahaman terhadap sistem dinamis. Jadi berpikir sistem merupakan suatu konsep di mana suatu sistem hanya dapat dipahami jika dilihat secara keseluruhan sebagai suatu integritas.
47
Terdapat dua fondasi dalam berpikir sistem, yaitu Emergence & Hierarchy dan Communication & Control. Hierarchy adalah tingkatan dalam sistem. Suatu tingkatan akan lebih kompleks dibanding tingkatan di bawahnya. Setiap tingkatan akan memiliki emergence properties yang tidak dimiliki pada tingkat di bawahnya. Sedangkan konsep dari communication & control adalah penggunaan informasi dalam sistem berkaitan dengan pencapaian tujuan dari sistem dan pengaturan keseimbangan antara sistem dengan lingkungannya. Dalam memahami sistem ada 2 (dua) cara yang umum dilakukan:
Mempelajari/menganalisis bagaimana komponen-komponen dari sistem bekerja sehingga kita mendapatkan hasil berupa pengetahuan mengenai kerja sistem tersebut.
Melakukan proses sintesis di mana kita melihat sistem secara keseluruhan sehingga mendapatkan hasil berupa pemahaman akan sistem tersebut. Cara ini merupakan prinsip dasar dari berpikir sistem.
2.6.4.2 Konsep Sistem Dinamik Pada dasarnya, ada empat konsep dasar dalam sistem dinamis yang menopang struktur dan perilaku sistem yang kompleks. Konsep tersebut adalah: Ruang lingkup yang tertutup Yang dimaksud tertutup di sini bukan berarti tidak ada interaksi dengan variabel dari luar sistem. Yang dimaksud tertutup adalah variabel penting
48
yang menciptakan interaksi sebab-akibat berada di dalam sistem dan variabel yang tidak begitu penting berada di luar Loop umpan balik sebagai komponen dasar sistem Perilaku dari sistem dipengaruhi oleh struktur dari loop umpan balik yang ada dalam sistem yang tertutup. Sehingga struktur umpan balik inilah yang mempengaruhi setiap perubahan yang terjadi pada sistem sepanjang waktu. Level dan rate(tingkat) Sebuah sistem dinamis pasti memiliki dua jenis variabel dasar yaitu level dan rate. Level, seperti halnya stok, merupakan akumulasi elemen sepanjang waktu, contohnya seperti jumlah pegawai atau jumlah inventori di gudang. Sedangkan rate merupakan variabel yang mempengaruhi perubahan nilai dari level. Kondisi yang ingin dicapai, kondisi riil, dan perbedaannya Suatu sistem yang dinamis akan memperlihatkan adanya kondisi yang menjadi tujuan sistem dan kondisi yang saat ini terjadi. Oleh karena ada kemungkinan kondisi yang ingin dicapai belum terjadi maka terjadi perbedaan yang mendasari perubahan dalam sistem. Setiap gejala, baik fisik maupun non-fisik, bagaimanapun kerumitannya, dapat disederhanakan menjadi struktur dasar yaitu mekanisme dari masukan, proses, keluaran, dan umpan balik. Mekanisme kerja berkelanjutan yang menunjukkan
49
adanya perubahan menurut waktu bersifat dinamis. Perubahan tersebut menghasilkan kinerja sistem yang dapat diamati perilakunya. Mekanisme berkelanjutan dari masukan, proses, keluaran dan umpan balik tersebut dalam dunia nyata tidak bebas atau tidak tumbuh tanpa batas, tetapi tumbuh dengan pengendalian. Kendali yang membatasi tersebut dapat bersumber dari dalam maupun dari luar sistem. Kendali dari dalam sistem menyangkut kerusakan sistem, sedangkan kendali dari luar sistem menyangkut intervensi dan hambatan lingkungan. 2.6.4.3 Dasar Simulasi Sistem Dinamik Metode simulasi sistem dinamis dibangun atas dasar 3 (tiga) latar belakang disiplin, yaitu manajemen tradisional, teori umpan balik atau cybernetics dan simulasi komputer. Prinsip dan konsep dari ketiga disiplin ilmu ini dipadukan untuk membentuk sebuah metodologi untuk memecahkan permasalahan secara holistik, menghilangkan kelemahan dari masing-masing disiplin untuk membentuk sinergi. Asal serta input utama dalam metodologi Sistem Dinamik dalam pengembangan model terdapat dalam gambar dibawah.
Gambar 2.9 : Metodologi Pendekatan Sistem Dinamik
50
Manajemen Tradisional Manajemen tradisional adalah manajemen yang umum dipakai dalam dunia nyata oleh para praktisi manajerial. Dasar utama dari manajemen tradisional adalah model mental yang terbentuk dari akumulasi pengetahuan dan pengalaman manajer. Cybernetics Cybernetic adalah ilmu mengenai komunikasi dan control yang didasari oleh teori umpan balik. Kekayaan informasi yang terakumulasi dalam model mental tidak dapat digunakan secara efektif tanpa adanya suatu prinsip dalam pemilihan informasi yang relevan dan strukturiasai informasi. Dengan cybernetics manajer dapat menyaring informasi yang ada sesuai dengan permasalahan yang dihadapi, kemudian menghubungkan elemen-elemen informasi tersebut untuk menemukan hubungan sebab akibat yang ada serta membangun struktur umpan balik sistem. Simulasi Komputer Penggunaan komputer dalam simulasi mampu mengatasi kelemahan pemikiran
manusia
terutama
berkaitan
dengan
keterbatasan
dalam
menganalisa hubungan sebab akibat untuk orde yang tinggi serta kemampuan komputasi dengan jumlah besar.
51
2.6.4.4 Perilaku Sistem Dinamik Pada Sistem dinamis terdapat 3 (tiga) perilaku umum, yaitu :
Exponential Growth Perilaku yang timbul dari umpan balik positif. Pada perilaku exponential growth, kuantitas yang lebih besar akan mengakibatkan perubahan yang besar pula.
Goal Seeking Perilaku yang timbul karena adanya umpan balik negative. Perilaku ini menggambarkan suatu sistem yang berusaha mencapai keseimbangan.
Oscilation Perilaku yang muncul dari feedback negatif dengan time delay yang signifikan. Selama time delay, dalam mengindetifikasi efek dari aksi yang diambil, tindakan koreksi terus dilakukan untuk mengembalikan sistem ke kondisi Equilibrium atau goal yang diinginkan dari sistem, bahkan setelah dicapainya kondisi equilibrium.
2.6.5 Pemodelan Sistem Dinamik Tujuan model sistem dinamis adalah untuk mempelajari, mengenal, dan memahami struktur, kebijakan, dan delay suatu keputusan yang mempengaruhi perilaku sistem itu sendiri. Dalam kerangka berpikir sistem dinamis, permasalahan dalam suatu sistem dilihat tidak disebabkan oleh pengaruh luar (exogenous explanation) namun dianggap disebabkan oleh struktur internal sistem (endogenous
52
explanation). Fokus utama dari metodologi sistem dinamis adalah
memperoleh
pemahaman atas suatu sistem, sehingga langkah-langkah pemecahan masalah memberikan umpan balik pada pemahaman sistem. Berikut adalah rangkaian proses dalam sistem dinamis yang dijelaskan oleh Jay Forrester:
Gambar 2.10. Proses Sistem Dinamik Dari gambar diatas, langkah pertama merupakan investigasi yang termotivasi oleh perilaku sistem, baik yang tidak diinginkan maupun yang ingin dimengerti dan diperbaiki. Langkah awal adalah mengerti, tetapi tujuan akhirnya adalah perbaikan. Pertama-tama adalah mendeskripsikan sistem yang relevan kemudian menghasilkan suatu hipotesis bagaimana sistem tersebut menghasilkan perilaku. Langkah kedua adalah memulai memformulasikan suatu model simulasi. Deskripsi sistem dari langkah pertama diubah menjadi persamaan level dan rate dari suatu model sistem dinamis. Pembuatan model simulasi deskripsi yang jelas dari langkah
53
pertama.
Penulisan
persamaan
bisa
memperlihatkan
adanya
gap
dan
ketidakkonsistenan yang harus di perbaiki di tahap sebelumnya (tahap deskripsi). Langkah ketiga dapat dimulai jika persamaan di langkah kedua telah memenuhi kriteria logis untuk sebuah model yang dapat dioperasikan (misal: variabel yang didefinisikan, tidak lebih dari satu definisi, tidak ada persamaan simultan, dan konsistensi unit pengukuran). Software sistem dinamis biasanya menyediakan cek logis untuk hal-hal seperti yang telah disebutkan. Tahap simulasi ini juga mengarahkan pada deskripsi masalah dan perbaikan persamaan kembali. Langkah ketiga ini harus menyesuaikan dengan elemen penting dalam praktek sistem dinamis yang baik, simulasi harus menggambarkan bagaimana pertimbangan kesulitan yang dicoba dilakukan di sistem yang nyata. Berbeda dengan metodologi yang berfokus pada kondisi masa depan ideal untuk suatu sistem, sistem dinamis hanya menyatakan bagaimana kondisi saat ini dan bagaimana mengarahkannya ke suatu perbaikan. Simulasi pertama akan mengarahkan pada pertanyaanpertanyaan dan pengulangan langkah pertama dan kedua, hingga model benar-benar dikatakan cukup untuk mencapai tujuan. Ingat bahwa ”kecukupan” bukan berarti pembuktian atau validasi. Tidak ada cara untuk membuktikan validasi dari isi suatu teori
yang
merepresentasikan perilaku dunia nyata. Yang mungkin dicapai hanyalah tingkat kepercayaan dari sebuah model yang terhadap kecukupan, waktu, serta biaya untuk melakukan perbaikan. Perbandingan utama dari sebuah model simulasi dan model lainnya (matematis misalnya) adalah model kompetitif adalah yang hampur selalu
54
menggunakan mental model dari orang yang beroperasi (berhubungan langsung dengan sistem) di dunia nyata. Suatu model sistem dinamis membuat lebih banyak kejelasan dan kesatuan, jika dibandingkan dengan mental model sebelumnya, bahwa keputusan ”kecukupan” biasanya mengarah pada sedikit kontroversi diantara operator dunia nyata yang berada dibawah tekanan waktu dan uang untuk mencapai performa yang lebih baik. Namun, jika tidak ada kontroversi bukan berarti telah melewati tahap 5 dan 6. Langkah keempat adalah mengidentifikasi alternatif kebijakan untuk pengujian. Uji simulasi digunakan untuk mencari kebijakan mana yang memberikan peluang aplikasi terbaik. Alternatif tersebut dapat berupa pengetahuan intuitif selama tiga langkah pertama, analis yang berpengalaman, permintaan orang-orang yang berada dalam sistem, atau berupa uji perubahan parameter secara otomatis yang lebih mendalam. Pencarian parameter secara otomatis akan sangat berguna. Pada sistem yang sangat kompleks, akan ada banyak kriteria kompetensi untuk mendefinisikan sukses, juga, akan banyak peaks dalam peta perilaku multi-dimensi sehingga performa yang dianggap paling disukai akan bergantung pada beberapa perubahan simultan dalam model. Ditambah lagi, alternatif perilaku terbaik seringkali datang dari perubahan struktur sistem. Langkah kelima melalui suatu konsensus untuk proses implementasi. Langkah kelima merepresentasikan tantangan terbesar terhadap kemampuan memimpin dan mengoordinasi. Tidak masalah berapa orang yang ikut andil dalam langkah pertama hingga keempat, karena semuanya akan terlibat dalam proses implementasi. Model
55
akan memperlihatkan bagaimana sistem menyebabkan masalah yang sedang mereka dihadapi. Hampir selalu, alasannya adalah pada kebijakan yang mereka ketahui, ikuti, dan percaya akan mengarahkan pada solusi terhadap masalah tadi. Implementasi terkadang menyangkut kemunduran terhadap kebijakan dan mengarahkan pada kepercayaan emosional yang kuat. Ini bukanlah masalah setuju atau tidak setuju terhadap suatu tujuan, melainkan bagaimana mencapainya. Bahkan dengan persetujuan intelektual yang meluas dengan suatu model sistem dinamis dan rekomendasi perbaikan kebijakan, masih memungkinkan adanya ketidaknyamanan (resistensi) terhadap prospek perubahan dari tindakan tradisional. Untuk melalui resistensi aktif dan pasif tersebut, diperlukan waktu yang cukup dan pendidikan dan argumen yang intens untuk menghilangkan praktek tradisional. Pertanyaanpertanyaan akan muncul dan memerlukan pengulangan langkah pertama hingga kelima. Langkah keenam adalah implementasi kebijakan baru. Kesulitan dari langkah ini kebanyakan berasal dari ketidakcukupan olangkah sebelumnya. Jika modelnya relevan dan persuasif, dan pendidikan di langkah kelima telah cukup, maka langkah keenam akan berjalan dengan baik. Walaupun demikian, implementasi memerlukan waktu yang sangat panjang. Kebijakan lama harus benar-benar dihilangkan, dan kebijakan baru akan memerlukan sumber informasi baru dan training. 2.6.6
Sumber Informasi Dalam Pembuatan Model Pembuatan suatu model membutuhkan sumber informasi yang tepat. Sumber
informasi yang digunakan dalam pembuatan model dari suatu sistem sangat beragam
56
dan dapat diklasifikasikan menjadi 3 (tiga) jenis, yaitu data mental, data tertulis dan data numerik. Dari ketiga jenis sumber informasi ini, data mental memiliki kandungan informasi paling banyak dan data numerik memiliki kandungan informasi paling sedikit. Data Tertulis Sumber informasi lain yang juga diperlukan dalam pembuatan suatu model dapat berasal dari data-data tertulis seperti dokumen dan literatur atau pun data hasil wawancara/kuesioner yang dilakukan. Data ini memiliki kandungan informasi yang lebih spesifik dan jelas jika dibandingkan dengan data mental dalam memahami strukutur suatu sistem atau permasalahan yang ada sehingga mampu melengkapi fungsi data mental yang bersifat terlalu umum. Tetapi, data tertulis juga memiliki batasan di mana tidak mampu menjelaskan keterkaitan antar variabel dalam suatu sistem dengan jelas. Data Numerik Data numerik memiliki informasi yang sangat spesifik dan presisi, oleh karenanya berperan penting dalam proses pendekatan ilmiah dalam penyelesaian masalah. Data numerik mendukung proses kuantifikasi pembuatan model dan memberikan kejelasan fungsi sistem secara matematis. Data numerik membantu proses analisis ketika kita menghadapi permasalahan nonlinieritas yang kompleks. Walaupun memiliki informasi yang sangat spesifik, data numerik memiliki kandungan informasi yang
57
rendah dan tidak dapat menggambarkan aspek-aspek sosial dan aspek tak terlihat lainnya dengan efektif. Data Mental Data mental merupakan jenis sumber informasi yang memiliki kandungan informasi paling kaya dan merupakan sumber utama dalam pembuatan suatu model. Data mental memuat informasi yang terlihat maupun tidak terlihat. Data mental terbentuk berdasarkan pengalaman dan pemahaman akan struktur terhadap suatu sistem atau permasalahan. Data mental mengandung informasi konseptual secara umum dalam melihat sistem secara keseluruhan. Informasi konseptual yang ada pada data mental tidak dapat digantikan oleh jenis informasi lain. Jika kita mengganti informasi ini dalam bentuk numerik maka akan menjadi tidak efektif. Secara umum, informasi yang didasarkan atas pemahaman konseptual dan terkait dengan perilaku sistem dapat dicek ulang dengan menggunakan sumber informasi lain. Namun, jika terlalu mengandalkan sumber informasi dari data mental dalam proses pembuatan model juga akan mengakibatkan ketidakefektifan. Hal ini dikarenakan perbedaan data mental yang dapat diperoleh dari individu yang berbeda. Selain itu kecenderungan biasnya data juga sangat besar karena data mental merupakan data kualitatif.
58
2.6.7 Umpan Balik (Feedback) Sistem dinamis memandang bahwa suatu sistem memiliki loop tertutup, konsep dasar sistem dinamis adalah mengenai umpan balik, sehingga setiap variabel yang ada pada sistem dapat memiliki dua peran yaitu sebagai penyebab dan sebagai akibat. Dalam sistem tertutup, perubahan pada suatu variabel dapat mempengaruhi perubahan pada keseluruhan lingkungan dalam sistem, termasuk variabel itu sendiri. Umpan balik merupakan suatu proses di mana suatu variabel penyebab melewati suatu rantai hubungan kausal sehingga menyebabkan perubahan pada variabel penyebab itu sendiri. Umpan balik dapat dibagi menjadi dua jenis yaitu:
Umpan Balik Positif Suatu umpan balik disebut positif jika peningkatan pada suatu variabel, setelah penundaan, mengakibatkan peningkatan pada variabel yang sama. Umpan balik jenis ini dapat ditemui pada sistem yang memiliki perilaku pola eksponensial.
Umpan Balik Negatif Suatu umpan balik disebut negatif apabila peningkatan pada suatu variabel akan mengakibatkan penurunan pada variabel yang sama. Umpan balik negative bersifat menyetabilisasi sistem atau menyeimbangkan sistem. Umpan balik negatif dapat ditemui pada sistem yang memiliki perilaku dengan pola osilasi.
59
2.6.8 Diagram Loop Sebab-Akibat Diagram loop sebab akibat adalah alat yang penting untuk merepresentasikan struktur umpan balik dari sistem. Diagram loop sebab akibat baik jika digunakan untuk sebagai berikut (J.D. Sterman,p.137) :
Menangkap dengan cepat hipotesis penyebab dinamika.
Mendapat/menangkap mental model dari individu atau tim.
Mengkomunikasikan umpan balik penting yang diyakini bertanggung jawab terhadap suatu masalah. Diagram loop sebab akibat terdiri dari variabel-variabel yang dihubungkan
oleh tanda panah yang menunjukkan pengaruh sebab akibat di antara variabelvariabel tersebut. Loop umpan balik juga diidentifikasi di dalam diagram. Berikut merupakan cara yang umum digunakan untuk menggambarkan hubungan sebab akibat: Contoh -
+ Tingkat Kelahiran +
R
B Populasi
+
Tingkat Kematian +
Tingkat kelahiran fraksional
-
Rata-rata harapan hidup
Kunci Hubungan sebab-akibat
Polaritas hubungan +
Variable tingkat kelahiran
Variable populasi
+
atau
R
Pengidentifikasi loop; loop positif (menguatkan)
-
atau
B
Pengidentifikasi loop; loop negatif (menyeimbangkan)
Gambar 2.11. Cara Penulisan Diagram Loop Sebab-Akibat
60
Variabel-variabel berhubungan sebab akibat, seperti yang ditunjuk oleh tanda panah dalam contoh di atas, tingkat kelahiran ditentukan oleh populasi dan tingkat kelahiran fraksional. Setiap hubungan sebab akibat ditentukan oleh polaritas, baik positif (+) maupun negatif (-) yang mengindikasikan bagaimana variabel A yang bergantung pada variabel B ikut berubah ketika variabel B berubah. Loop-loop di dalam diagram diidentifikasi oleh pengidentifikasi loop yang menunjukkan apakah loop tersebut umpan balik positif (menguatkan) atau negatif (menyeimbangkan). 2.6.9 Diagram Alir (Stock and Flow Diagram) Diagram loop sebab akibat memiliki beberapa keterbatasan dan dengan mudah dapat disalahgunakan. Salah satu keterbatasan yang paling penting dari diagram sebab akibat adalah ketidakmampuannya untuk menangkap struktur stok dan aliran (stock and flow) dari sistem. Stok dan aliran, bersama dengan umpan balik, merupakan dua konsep utama dari teori sistem dinamik. Diagram stok dan aliran digunakan untuk merepresentasikan struktur secara detil sehingga siap dikembangkan ke dalam formulasi matematis model untuk disimulasikan. Diagram ini memiliki tingkat ketelitian yang paling tinggi. Pada diagram ini sudah dapat dibedakan antara sub-sistem fisik dan sub-sistem informasi serta mengklasifikasikan variabel dan fungsi ke dalam jenisnya masing-masing. Secara lengkap kelebihan-kelebihan dari diagram ini adalah: Mampu membedakan antara sub-sistem fisik dan sub-sistem infornasi.
61
Mampu membedakan setiap jenis variabel yang digunakan yaitu level, rate atau auxiliary dengan symbol yang berbeda. Memiliki hubungan satu sama lain dalam bentuk persamaan matematis. Mampu mengindikasikan delay dalam sistem. Menunjukkan dengan jelas jenis fungsi-fungsi khusus yang diapakai dalam persamaan matematis. Adapun untuk variabel yang digunakan dalam model sistem dinamis dapat dibedakan menjadi tiga jenis, yaitu stok atau level, katup atau rate dan auxiliary. Level dan rate adalah variabel sentral dalam sistem dinamis, dan auxiliary adalah variabel pelengkap. Selain itu, terdapat variabel yang disebut dengan variabel eksogen. Variabel eksogen merupakan variabel yang dibentuk di luar sistem tetapi berfungsi member input pada sistem. Terdapat pula parameter konstanta yang merupakan input informasi sistem terhadap rate dan auxiliary dengan nilai kontan sepenjang periode waktu simulasi.
Gambar 2.12 : Diagram Alir Sistem Populasi Sederhana
62
Variable dalam flow diagram dapat diklasifikasikan sebagai berikut : 1. Level (Stocks) Variabel stok atau level merepresentasikan akumulasi aliran-aliran yang terdapat di dalam sistem dari waktu ke waktu. Aliran yang masuk ke variabel stok dapat berupa aliran fisik atau aliran informasi. Variabel stok menyatakan kondisi dari sistem yang menyediakan informasi bagi pengambil keputusan untuk melakukan suatu tindakan. Variabel ini hanya dapat berubah karena variabel rate ata katup dan merupakan akumulasi dari aliran masuk (inflow) dikurangi dengan aliran keluar (outflow). Tipe variable yang mana merupakan perubahan akumulasinya. Level akan dipengaruhi oleh rate (flow)
?
Level_1
Gambar 2.13. Simbol Level 2. Rate (Flow) Variabel katup atau rate adalah variabel keputusan yang ditentukan oleh suatu struktur kebijakan tertentu. Keputusan yang dilakukan akan mempengaruhi besarnya stok karena variabel katup merupakan satu-satunya variabel yang dapat mengubah stok. Katup tidak dapat diukur secara langsung pada suatu titik waktu tertentu. Melainkan diukur pada selang waktu tertentu. Variabel ini
63
dapat dinyatakan secara endogen melalui variabel stok yang ada, atau secara eksogen melalui masukan dari luar sistem berupa konstanta atau fungsi. Tipe variable yang akan mempengaruhi variable level.
? Rate_1
Gambar 2.7. Simbol Rate 3. Auxiliary Merupakan variabel yang digunakan untuk menjabarkan lebih lanjut elemenelemen yang mempengaruhi suatu struktur kebijakan yang tercermin pada variabel katup. variable yang mana memuat perhitungan dasar pada variable lain.
? Auxiliary_1
Gambar 2.15. Simbol Auxiliary 4. Constant Tipe variable yang mana memuat nilai tetap yang akan digunakan dalam perhitungan variable auxiliary atau variable flow.
? Constant_1
Gambar 2.16. Simbol Constant
64
5. Link Sebuah alat yang menghubungkan antara satu variable dengan variable lainnya. Dalam Powersim Constructor 2.51 link dapat dibedakan menjadi link dan delayed link.
Gambar 2.17. Simbol Link dan Delayed Link
Dari sejumlah variable yang menyusun flow diagram, menentukan apakah variable tersebut rate ataukah level merupakan pekerjaan yang cukup menyulitkan pemodel. Untuk menjelaskan hal tersebut, maka berikut contoh-contoh variable rate dan level. Tabel 2.1 Contoh Rate dan Level
65
2.6.10 Powersim Studio 2005 Sebagai System Dynamic Symulation Powersim Studio merupakan alat pemodelan yang berdasarkan pada konsep system dynamics. Studio dapat membantu penulis membuat sebuah sistem model dengan berbagai hubungan sebab-akibat, umpan balik, dan penundaan secara grafis. Berbagai simbol yang merepresentasikan level, flows, dan variabel pembantu (disebut auxiliaries) digunakan untuk membuat representasi grafis dari sebuah sistem dalam diagram constructor. Aliran (flows) merepresentasikan hubungan dan interkoneksi. Pada software Powersim Studio 2005 elemen-elemen untuk membangun sebuah diagram alir adalah sebagai berikut: Tabel 2.2 Elemen-elemen Diagram Alir pada Powersim
Simbol
Penjelasan Level: Variabel yang mengakumulasikan perubahan yang terjadi akibat aliran (flow).
Le ve l_1
?
?
Auxiliary: Variabel yang berisi perhitungan atau kalkulasi yang berkaitan dengan variabel lainnya.
Auxiliary_1
? Constant_1
Constant: Variabel yang berisi nilai yang ditetapkan (fixed value) yang akan digunakan pada perhitungan pada variabel auxiliary atau flow. Flow: Aliran yang mempengaruhi variabel level.
66
Flow with rate: Aliran yang mempengaruhi variabel level yang dikontrol oleh variabel auxiliary.
? Rate_1
Delayed info link: Digunakan untuk memberikan fungsi delay atau penundaan pada variabel auxiliary.
# ? Auxilia ry_2
?
Le ve l_2
Information link: Memberikan informasi ke variabel auxiliary tentang nilai dari variabel yang lain. Initialization link: Link inisiasi, yang memberikan info awal ke variabel level tentang nilai variabel yang lain.
Cloud: Melambangkan sumber yang akan dipakai atau telah terpakai. Cloud juga melambangkan batasan model. (Powersim StudioUser’s Guide)
.
67
