PREDIKSI KELULUSAN MAHASISWA MENGGUNAKAN METODE NEURAL NETWORK DAN PARTICLE SWARM OPTIMIZATION

Transkripsi

1 PREDIKSI KELULUSAN MAHASISWA MENGGUNAKAN METODE NEURAL NETWORK DAN PARTICLE SWARM OPTIMIZATION Dewi Kusumawati 1), Wing Wahyu Winarno 2), M. Rudyanto Arief 3) 1), 2), 3) Magister Teknik Informatika STMIK AMIKOM Yogyakarta Jl Ring road Utara, Condongcatur, Sleman, Yogyakarta dkusumawati46@yahoo.co.id 1), wing@mail.ugm.ac.id 2), rudy@amikom.ac.id 3) Abstrak Tingkat kelulusan mahasiswa S1 Teknik Informatika STMIK Bina Mulia Palu sejak tahun akademik 2008 sampai 2009 menunjukan persentase rata-rata jumlah mahasiswa lulusan yang tepat waktu kurang dari saran mutu pihak kampus. Kondisi tersebut mendorong pihak jurusan untuk melakukan evaluasi dan langkah strategis dalam upaya meningkatkan tingkat kelulusan mahasiswa agar sasaran mutu bisa tercapai. Evaluasi program studi perlu ditingkatkan dengan dibuatnya sistem prediksi tingkat kelulusan pada penyelenggaraan proses perkuliahan. Jaringan saraf tiruan (Artificial Neural Network) sebagian besar telah cukup handal dalam pemecahan masalah peramalan yang sering ditemukan dalam proses pengambilan keputusan salah satunya adalah prediksi kelulusan mahasiswa dengan menggunakan metode backpropagation neural network. namun proses pembelajaran bacpropagation terkadang menemui kendala seperti over fitting sehingga tidak dapat menggeneralisasikan masalah. Untuk mengatasi masalah tersebut diusulkan penggunaan Particle Swarm Optimization untuk melatih bobot pada jaringan. Variabel input yang digunakan dalam Prediksi kelulusan mahasiswa ini menggunakan yaitu 30 nilai mata kuliah. Output yang dihasilkan adalah kelulusan Tepat Waktu atau Melebihi Batas Waktu. Adapun tools yang digunakan yaitu MatlabR2010a. Pengujian dilakukan menggunakan perangkat lunak matlab yang diuji dengan beberapa bentuk arsitektur jaringan. Berdasarkan data uji aristektur dengan konfigurasi terbaik untuk NN terdiri dari 30 lapisan masukan, 25 lapisan tersembunyi dan 1 lapisan keluaran dengan nilai leraning rate 0.2, RMSE dengan akurasi 78.26%. Nilai RMSE setelah dioptimasi yaitu dengan tingkat akurasi 87.31%.. Kata kunci:neural Network, Particle Swarm Optimization, Prediksi, matlab. 1. Pendahuluan Salah satu teknik evaluasi tingkat kelulusan secara dini adalah dengan sistem prediksi tingkat kelulusan mahasiswa dimana informasi yang dihasilkan oleh hasil prediksi ini dapat dijadikan sebagai bahan pertimbangan bagi pihak manajemen program studi untuk melakukan langkah persuasif dalam rangka meningkatkan persentasi kelulusan mahasiswa yang memenuhi standar mutu yang ditetapkan kampus. Prediksi dalam konteks komputasi merupakan salah satu kegiatan matematis. Prediksi ini telah dilakukan bertahun-tahun sebelum penguasaan komputer, yaitu menggunakan alat hitung seperti kalkulator. Prediksi penentuan kelulusan mahasiswa dapat membantu pihak manajemen dalam mengambil keputusan. Bagaimana menganalisa kelulusan mahasiswa dan mendapatkan parameter terbaik dari metode yang digunakan untuk dapat memprediksi kelulusan mahasiswa. Metode yang digunakan dalam memprediksi kelulusan mahasiswa menggunakan neural network dan particle swarm optimization, tools yang digunakan yaitu matlab R2010a. Metode ini telah banyak digunakan untuk membantu menyelesaikan berbagai macam permasalahan, salah satu permasalahan tersebut adalah pencocokan/ keakurasian berdasarkan pelatihan yang diberikan. Neural network dapat dimanfaatkan untuk kasus forecasting yang nantinya akan di optimasi menggunakan particle swarm optimization. Manfaat penelitian ini yaitu dapat melakukan tindakan jika hasil prediksi kelulusan kurang dari standar yang ditetapkan oleh pihak kampus, dapat sebagai pertimbangan bagi pihak manajemen program studi dalam melakukan evaluasi tingkat kelulusan mahasiswa dan Membantu pihak jurusan dalam mengevaluasi salah satu matakuliah yang menjadi pendukung tingkat kelulusan sehingga menjadi perbaikan nilai mahasiswa angkatan berikutnya dan dapat meningkatkan kelulusan mahasiswa. Penelitian sebelumnya mengenai Klasifikasi Data Cardiotocography oleh [1] dengan Integrasi Metode Neural Network dan Particle Swarm Optimization, yang mengimplementasikan PCA untuk memilih fitur data yang memilik bobot Principal Component yang tinggi. Penelitian yang dilakukan oleh [2] mengenai Optimasi Bobot Jaringan Syaraf Tiruan Menggunakan Particle Swarm Optimization, penelitian ini bertujuan meprediksi tingkat inflasi dengan menggunakan 11 node input. Hasilnya mendapatkan jaringan terbaik dengan aristektur 5 node hidden

2 Kesulitan metode backpropagation dalam proses training NN terletak pada proses penentuan parameter bobotnya. Penentuan nilai parameter bobot pada NN dipengaruhi pemilihan jumlah hidden layer dan nilai learning rate yang sesuai. Nilai learning rate yang tidak sesuai berdampak pada hasil klasifikasi yang kurang optimal. Apabila nilai leraning rate terlalu besar, network akan mencapai konvergen dalam waktu yang singkat tetapi error klasifikasi menjadi besar. Sebaliknya bila learning rate terlalu rendah, hasil klasifikasi memiliki akurasi yang baik tetapi proses training membutuhkan waktu lama[3]. Jaringan Syaraf Tiruan (Artificial Neural Network ) ANN mampu mengenali sinyal input yang agak berbeda dari yang pernah diterima sebelumnya dan mampu bekerja meskipun beberapa neuronnya tidak mampu bekerja dengan baik. Jika sebuah neuron rusak maka neuron lain dapat dilatih untuk menggantikan fungsi neuron yang rusak tersebut. Model neuron ANN terdiri dari fungsi penjumlahan ( summing function), fungsi aktivasi (activation function), dan keluaran (output).[3] a. Memisahkan data yang akan digunakan sebagai data pelatihan dan data uji. Dalam penelitian ini pembagian data pelatihan dan data pengujian yaitu 60% data pelatihan dan 40% untuk data pengujian[4] b. Desain JST dilakukan untuk prediksi kelulusan mahasiswa dimulai dengan menentukan banyaknya data masukan yang digunakan, banyaknya layer tersembunyi (hidden layer) yang digunakan dan banyaknya keluaran yang diinginkan. Data yang digunakan sebagai masukan sebanyak 30 data (nilai semester 1 sampai nilai semester 4) dan data keluaran yaitu kelulusan Tepat Waktu atau Melebihi Batas Waktu. c. Pengenalan pola dilakukan dengan cara penyesuaian nilai bobot (dalam penelitian ini nilai bobot ditentukan secara random). Penghentian penyesuaian bobot dalam pengenalan pola apabila kuadrat error mencapai target error. d. Pengujian dan prediksi Pengujian dilakukan bertujuan untuk mengetahui tingkat keakuratan sistem JST yang telah dibuat dalam prediksi data kelulusan pada tahun tertentu. Sedangkan prediksi bertujuan untuk memprediksi data kelulusan mahasiswa yang akan datang Gambar 1. Model Neuron Neuron k bisa dideskripsikan secara matematis u k= (1) Dan Y k = φ (u k + b k) (2) Keterangan: X 1.. X m :Signal input W 1..W m :Bobot yang berhubungan dengan input ke-j ke unit k φ U k b k y k Backpropagation :Fungsi aktivasi non linear :Kombinasi linier dari output yang dihasilkan :Bias :Signal output Backpropagation merupakan algoritma pembelajaran yang terawasi dan biasanya digunakan oleh perceptron dengan banyak lapisan untuk mengubah bobot yang terhubung dengan neuron-neuron, yang ada pada lapisan tersembunyinya. Algoritma backpropagation menggunakan error output untuk mengubah nilai bobotbobotnyadalam arah mundur (backward).[3]. Prediksi kelulusan mahasiswa dengan backpropagation neural network menggunakan langkah-langkah, yaitu sebagai berikut: Fungsi Aktivasi Sigmoid Biner Fungsi ini digunakan untuk jaringan saraf dilatih dengan menggunakan metode backpropagation. Fungsi sigmoid memiliki nilai pada range 0 sampai 1. Oleh karena itu, fungsi ini sering digunakan untuk jaringan saraf yang membutuhkan nilai output yang terletak pada interval 0 sampai 1. Namun fungsi ini bisa juga digunakan oleh jaringan saraf yang nilai outputnya 0 atau 1 [5]. Fungsi sigmoid dirumuskan sebagai berikut: ( ) = (3) Root Means Square Error (RMSE) Ukuran yang sering digunakan perbedaan antara nilainilai diprediksi oleh model dan nilai benar atau nilai target, diamati dari lingkungan yang sedang di modelkan [6] RMSE dirumuskan sebagai berikut: n 2 ( X X i obs i mo del i RMSE 1,, ) Aristektur Jaringan Metode BackPropagation Jaringan saraf terdiri dari 3 lapisan, yaitu lapisan masukan/input terdiri dari variabel masukan unit sel saraf, lapisan tersembunyi dan lapisan keluaran/output. Lapisan masukan digunakan untuk menampung 30 variabel yaitu x1 sampai dengan x30, lapisan tersembunyi terdiri dari 25 sel saraf, lapisan tersembunyi atau node hidden ditentukan sendiri oleh pengguna sistem melalui cara n (4)

3 percobaan konvergensi terbaik ( trial and error) sampai diperoleh hasil konvergensi pelatihan yang paling baik. Lapisan keluaran/output terdiri atas 1 sel saraf. Gambar 2 merupakan aristektur jaringan saraf tiruan (ANN) terbaik untuk memprediksi kelulusan mahasiswa. Gambar 2. Aristektur Jaringan Untuk Prediksi Kelulusan Gambar 2 menunjukan bahwajaringan atau arisitektur terbaik untuk prediksi kelulusan mahasiswa menggunakan variabel input nilai 30 mata kuliah dasar, maka RMSE yang terletak pada hidden node 25. Data latih yang digunakan sebanya 60 % dari total data yaitu 276 sedangkan untuk data testing sebanyak 40 % dari total data yaitu 184. Particle Swarm Optimization (PSO) Particle Swarm Optimization (PSO) adalah salah satu dari teknik komputasi evolusioner, yang mana populasi pada PSO didasarkan pada penelusuran algoritma dan diawali dengan suatu populasi yang random yang disebut dengan particle [7] Tabel 1. Model Optimasi Learning Data Pembelajaran Data Uji Rate Hidden RMSE Epoch Waktu node Pencarian solusi optimal dilakukan sampai semua partikel memiliki skema solusi yang sama atau ketika iterasi maksimum sudah tercapai. Formulasi untuk update kecepatan dan posisi pada iterasi selanjutnya adalah sebagai berikut: V k+1 = V k + C 1.R 1. (P best k X k) + C 2.R 2.(Gbest k X k) (5) Parameter PSO Parameter weight pbest (c1), weight gbest (c2) dan population size yang digunakan dalam penelitian ini adalah 25. Tabel 2. Parameter PSO Parameter Nilai Population size 25 C1 1.0 C2 1.0 Inertia 1 Velocity 0.2 Generation Pembahasan Pengujuan jaringan saraf tiruan metode backpropagation untuk memprediksi kelulusan mahasiswa dilakukan untuk

4 melihat apakah sistem jaringan saraf tiruan sudah sesuai dengan kondisi sebenarnya atau tidak. Pengujian jaringan saraf tiruan ini dibagi menjadi beberapa tahap yaitu: a. Tahap inisialisasi parameter Pada tahap ini sistem jaringan saraf diberikan masukan berupa nilai parameter inisialisasi yang terdiri dari 30 node input, jumlah node hidden dicari berdasarkan percobaan ( trial and error) dengan cara mengubah konstanta belajar dan lapisan tersembunyi secara terus menerus sampai didapatkan konfigurasi yang baik yaitu jumlah RMSE yang kecil. Pada prediksi kelulusan ini didapatkan konfigurasi node hidden 25, jumlah lapisan keluaran/output terdiri 1 node. b. Tahap Pelatihan Pada tahap ini sistem jaringan saraf diberikan 276 data nilai mahasiswa dari semester 1 sampai dengan semester 4 untuk dilatihkan sebagai proses p[embelajaran, untuk mendapatkan nilai keluaran, yan pertama harus dilakukan adalah menentukan matriks masukan dan matriks target. 30 variabel dengan jumlah responden 206 yang akan dilatihkan disusun menjadi suatu matriks P, dengan ukuran 30 x 206. Target yang diinginkan adalah kelulusan yang diinisialisasikan dengan angka 1 untuk Lulus Tepat Waktu dan 0 Lulus Melebihi Batas Waktu. c. Tahap Pengujian. Tahap pengujian merupakan tahapan yang digunakan untuk menguji data penelitian yang telah di dapat pada jaringan saraf tiruan, dimana sebelumnya telah di latih data penelitian pada proses pelatihan. Pada data pengujian ini telah ditetapkan hasil keluaran atau target. data pengujian berfungsi untuk menguji keakuratan sistem JST yang tealah dibuat. Parameter Neural Network dan Particle Swarm Optimization Leraning rate pada peneilitian ini ditentukan dengan cara melakukan uji coba memasukan nilai dengan range 0.1 sampai 0.4, dengan epoch max adalah Tabel 2 adalah hasil percobaan untuk menentukan parameter dari neural network. Tabel 2. Percobaan Penentuan Learning Rate Dari percobaan dengan nilai learning rate 0.1 sampai 0.4 dengan hidden node 5 sampai 25, hidden node yang dipilih berdasarkan nilai (RMSE) terkecil dan nilai akurasi yang terbesar. Berdasarkan hasil percobaan yang telah dilakukan, dipilih learning rate sebesar 0.2 karena terletak pada root mean square error (RMSE) terkecil yaitu dan nilai akurasi terbesar yaitu 78.26%. Hasil terbaik pada percobaan dengan satu hidden layer yaitu hidden layer dengan node 25 dan RMSE yang dihasilkan yaitu 0.070, maka aristektur terbaik untuk metode NN yaitu 30 node input, 25 node hidden dan 1 node ouput Optimasi BP neural network dengan PSO Pada tahap ini, struktur BP neural network yang dihasilkan pada percobaan dioptimasi dengan particle swarm optimization (PSO) dimana particle swarm optimization memiliki nilai untuk population size: 5, generation max:50. Inertia weight: 1.0 velocity 0.2. selanjutnya dilakukan penambahan populasi ( population size) untuk mencari model yang ideal atau yang terbaik dengan membuat model sebagai berikut: Tabel 3. Model Optimasi BP Neural Network dengan PSO Data Data Pembelajaran Uji VeliVe Populasi RMSE Epoch Waktu Dari hasil percobaan didapatkan akurasi terbaik terletak pada populasi size 25 dan velocity 0.2 dengan nilai RMSE terkecil yaitu dengan tingkat akurasi yang tinggi yaitu 87.31%. Analisa Hasil Prediksi Tingkat kelulusan Berdasarkan hasil uji diketahui mempunyai nilai RMSE 0.070, algoritma Neural Network, dan NN - PSO mempunyai nilai RMSE Dapat dilihat bahwa algoritma Neural Network-PSO mempunyai nilai RMSE terendah, maka dapat disimpulkan bahwa algoritma Neural Network-PSO dapat mengurangi nilai error dan tingkat akurasi yang di dapat menggunakan NN-PSO lebih tinggi dibanding dengan tingkat akurasi menggunakan NNBP

5 Tabel 4. Perbandingan nilai RMSE antar NN dan NN- PSO Epoch=2000 Data Uji Dengan NN Data Uji dengan NN - PSO Hidden RMSE Epoch RMSE Epoch node Hasil prediksi tingkat kelulusan berdasarkan parameter yang telah di uji maka prediksi tingkat kelulusan mahasiswa tahun akademik 2008 dan 2009 dapat dilihat pada tabel 5 dan tabel 6. Tabel 5. Hasil Validasi Data prediksi Tahun 2008 NN NN-PSO Output HU KS HU KS Lulus Tepat Waktu Lulus Lewat Batas Waktu Total Data Berdasarkan data tahun akdemik 2008 untuk kelulusan mahasiswa yang telah diuji menggunakan metode NN dan NN-PSO, bahwa jaringan saraf tiruan yang telah diuji dan di optimasi menggunakan particle swarm optimization menunjukan tingkat akurasi yang lebih dari hasil uji NN. Hasil validasi yang digambarkan di tabel 5, menunjukan hasil uji NN 84,50% mendekati kebenaran, berdasarkan dari data aktual sedangkan hasil uji NN-PSO menjukan 88.23% mendekati kebenaran dari data aktual. Tabel 6. Hasil Validasi Data prediksi Tahun 2009 NN NN-PSO Output HU KS HU KS Lulus Tepat Waktu Lulus Lewat Batas Waktu Total Data Berdasarkan data tahun akademik 2009, kelulusan mahasiswa tepat waktu sebebesar hasil uji NN 78,77% mendekati kebenaran berdasarkan data aktual, dan hasil uji NN-PSO menunjukan 92,15% mendekati kebenaran, berdasarkan data aktual. Berdasarkan data tahun akademik 2008 dan 2009 yang telah diuji menunjukan bahwa jaringan NN yang di optimasi dengan PSO akan menghasilkan tingkat akurasi yang lebih baik. 3. Kesimpulan Berdasarkan hasil penelitian yang telah dilakukan dapat disimpulkan bahwa: 1. Algoritma neural network dan particle swarm optimization dapat digunakan untuk melakukan prediksi kelulusan mahasiswa dengan menggumakan 30 data nilai mata kuliah dari semester 1 sampai dengan semester 4, yang mempengaruhi tingkat kelulusan. 2. Berdasarkan hasil pengujian dengan 409 data nilai mahasiswa tahun akademik 2008 dan 2009, parameter terbaik dari neural network untuk prediksi kelulusan yaitu dengan nilai learning rate 0.2 di dapatkan RMSE 0.070, dan menggunkan populasi size 25, velocity 0.2 dengan generation max 50 didapatkan RMSE dari parameter PSO, jaringan terbaik untuk memprediksi kelulusan mahasiswa yaitu dengan node input 30, node hidden 25, node output 1 didapatkan tingkat akurasi sebesar 87.31%. 3. Pengaruh implementasi algoritma particle swarm optimization dalam memprediksi kelulusan mahasiswa dengan hasil pengujian 409 data nilai mahasiswa tahun akademik 2008 dan 2009, menghasilkan kenaikan akurasi sebesar 9.05 % dari hasil uji menggunakan neural network. Selain itu dapat mengurangi nilai error yang dihasilkan dari neural network sebesar Daftar Pustaka [1] Khalid, Klasifikasi Data Cardiotocography dengan Integrasi Metode Neural Network dan Particle Swarm Optimization, Industrial Electronics Seminar 2011 (IES), Oktober [2] Harry Suganda, Optimasi Bobot Jaringan Syaraf Tiruan Menggunakan Particle Swarm Optimization, (IJCCS), Januari [3] Sri Kusumadewi, 2004, JST Menggunakan Matlab dan Excel Link. Graha Ilmu, Yogyakarta. [4] Kusrini, Emha T. Luthfi, 2009, Algoritma Data Mining. Penerbit ANDI, Yogyakarta. [5] Turban, 2005,Decision Support System and Intelligent System (Terjemahan: Sitem Pendukung Keputusan dan Sistem Cerdas)Jilid 1, Andi Offset, Yogyakarta. [6] P. Francis, C. Gilles, B. Yoshua, Neural Network Synthesis of Backpropagation Optimization Problem, IEEE Transaction on Neural Network, No. 2, 2003 [7] Arief Hermawan, 2006, Jaringan Syaraf Tiruan, Andi Offset, Yogyakarta. Biodata Penulis Dewi Kusumawati, memperoleh gelar Sarjana Komputer (S.Kom), Jurusan Teknik Informatika STMIK AMIKOM Yogyakarta, lulus tahun Saat ini sedang mennempuh program Pasca Sarjana di MTI STMIK AMIKOM Yogyakarta. Wing Wahyu Winarno, memperoleh gelar Drs., Akuntan di Fakultas Ekonomi UGM Yogyakarta, Memperoleh

6 gelar MAFIS di Cleveland State University, Ohio,. Mendapatkan gelar Dr di Fakultas Ekonomi UI Jakarta. Saat ini menjadi salah satu Dosen di MTI STMIK AMIKOM Yogyakarta, STIE YKPN Yogyakarta dan MTI UII Yogyakarta M. Rudyanto Arief,memperoleh gelar Sarjana Jurusan Teknik Informatika UII Yogyakarta tahun lulus 2001, Memperoleh gelar Magister Teknik (M.T) Program Pasca Sarjana Magister Teknik Elektro di UGM Yogyakarta. Saat ini menjadi salah satu Dosen di STMIK AMIKOM Yogyakarta