Artificial Neural Network (ANN)

Artificial Neural Network (ANN) merupakan cabang ilmu multi yang disiplin yang meniru cara kerja otak makhluk hidup. Salah satu struktur yang ditiru adalah bentuk neuralnya. Jaringan syaraf tiruan dapat menyelesaikan rumit / tidak mungkin jika diselesaikan dengan menggunakan komputasi secara konvensional. 

Otak manusia / hewan terdiri atas sel – sel yang disebut neuron dibandingkan dengan sel – sel lain selalu mereproduksi dirinya kemudian mati, neuron memiliki keistimewaan tidak mati. Hal ini menyebabkan informasi di dalamnya dapat bertahan. Diperkirakan otak manusia terdiri dari 109 neuron dan terdapat 100 jenis neuron yang diketahui. Neuron – neuron ini terbagi atas grup – grup apa yang disebut jaringan, yang dibedakan atas fungsinya dan setiap grup mengandung ribuan neuron yang saling berhubungan.

Neural Network merupakan kategori ilmu Soft Computing. Neural Network sebenarnya mengadopsi dari kemampuan otak manusia yang mampu memberikan stimulasi/rangsangan, melakukan proses, dan memberikan output. Output diperoleh dari variasi stimulasi dan proses yang terjadi di dalam otak manusia. Kemampuan manusia dalam memproses informasi merupakan hasil kompleksitas proses di dalam otak. Misalnya, yang terjadi pada anak-anak, mereka mampu belajar untuk melakukan pengenalan meskipun mereka tidak mengetahui algoritma apa yang digunakan. Kekuatan komputasi yang luar biasa dari otak manusia ini merupakan sebuah keunggulan di dalam kajian ilmu pengetahuan.
Fungsi dari Neural Network diantaranya adalah:

1.      Pengklasifikasian pola

2.      Memetakan pola yang didapat dari input ke dalam pola baru pada output

3.      Penyimpan pola yang akan dipanggil kembali

4.      Memetakan pola-pola yang sejenis

5.      Pengoptimasi permasalahan

6.      Prediksi

SEJARAH NEURAL NETWORK

Perkembangan ilmu Neural Network sudah ada sejak tahun 1943 ketika Warren McCulloch dan WalterPitts memperkenalkan perhitungan model neural network yang pertama kalinya. Mereka melakukan kombinasi beberapa processing unit sederhana bersama – sama yang mampu memberikan peningkatan secara keseluruhan pada kekuatan komputasi.

Penemu Pertama Neural Network

Hal ini dilanjutkan pada penelitian yang dikerjakan oleh Rosenblatt pada tahun 1950, dimana dia berhasil menemukan sebuah two-layer network, yang disebut sebagai perceptron. Perceptron memungkinkan untuk pekerjaan klasifikasi pembelajaran tertentu dengan penambahan bobot pada setiap koneksi antar-network.

Keberhasilan perceptron dalam pengklasifikasian pola tertentu ini tidak sepenuhnya sempurna, masih ditemukan juga beberapa keterbatasan didalamnya. Perceptron tidak mampu untuk menyelesaikan permasalahan XOR (exclusive-OR). Penilaian terhadap keterbatasan neural network ini membuat penelitian di bidang ini sempat mati selama kurang lebih 15 tahun. Namun demikian, perceptron berhasil menjadi sebuah dasar untuk penelitian-penelitian selanjutnya di bidang neural network. Pengkajian terhadap neural network mulai berkembang lagi selanjutnya di awal tahun 1980-an. Para peneliti banyak menemukan bidang interest baru pada domain ilmu neural network. Penelitian terakhir diantaranya adalah mesin Boltzmann, jaringan Hopfield, model pembelajaran kompetitif, multilayer network,  dan teori model resonansi adaptif.

Untuk saat ini, Neural Network sudah dapat diterapkan pada beberapa task, diantaranya classification, recognition, approximation, prediction, clusterization, memory simulation dan banyak task-task berbeda yang lainnya, dimana jumlahnya semakin bertambah seiring berjalannya waktu.

KONSEP NEURAL NETWORK

1.  Proses Kerja Jaringan Syaraf Pada Otak Manusia

Ide dasar Neural Network dimulai dari otak manusia, dimana otak memuat  sekitar 10¹¹ neuron. Neuron ini berfungsi memproses setiap informasi yang masuk. Satu neuron memiliki 1 akson, dan minimal 1 dendrit. Setiap sel syaraf terhubung dengan syaraf lain, jumlahnya mencapai sekitar 10⁴ sinapsis. Masing-masing sel itu saling berinteraksi satu sama lain yang menghasilkan kemampuan tertentu pada kerja otak manusia.

Dari gambar di atas, bisa dilihat ada beberapa bagian dari otak manusia, yaitu:

1.   Neuron : Pusat pemrosesan informasi dari masukan ribuan dendrites dan keluaran sebuah axon

2.      Nukleus : Unit proses untuk melakukan segala proses

3.      Axon : Mengirimkan keluaran untuk ke jaringan lain

4.      Dendrit : Mengirimkan masukkan ke unit proses

5.      Sinapsis : Untuk menyimpan pengetahuan

Proses yang terjadi pada otak manusia adalah:

Sebuah neuron menerima impuls dari neuron lain melalui dendrit dan mengirimkan sinyal yang dihasilkan oleh badan sel melalui akson. Akson dari sel syaraf ini bercabang-cabang dan berhubungan dengan dendrit dari sel syaraf lain dengan cara mengirimkan impuls melalui sinapsis. Sinapsis adalah unit fungsional antara 2 buah sel syaraf, misal A dan B, dimana yang satu adalah serabut akson dari neuron A dan satunya lagi adalah dendrit dari neuron B. Kekuatan sinapsis bisa menurun/meningkat tergantung seberapa besar tingkat propagasi (penyiaran) sinyal yang diterimanya. Impuls-impuls sinyal (informasi) akan diterima oleh neuron lain jika memenuhi batasan tertentu, yang sering disebut dengan nilai ambang (threshold).

2.  Struktur Neural Network

Dari struktur neuron pada otak manusia, dan proses kerja yang dijelaskan di atas, maka konsep dasar pembangunan neural network buatan (Artificial Neural Network) terbentuk. Ide mendasar dari Artificial Neural Network (ANN) adalah mengadopsi mekanisme berpikir sebuah sistem atau aplikasi yang menyerupai otak manusia, baik untuk pemrosesan berbagai sinyal elemen yang diterima, toleransi terhadap kesalahan/error, dan juga parallel processing.

Karakteristik dari ANN dilihat dari pola hubungan antar neuron, metode penentuan bobot dari tiap koneksi, dan fungsi aktivasinya. Gambar di atas menjelaskan struktur ANN secara mendasar, yang dalam kenyataannya tidak hanya sederhana seperti itu.

1.      Input, berfungsi seperti dendrite

2.      Output, berfungsi seperti akson

3.      Fungsi aktivasi, berfungsi seperti sinapsis

Neural network  dibangun dari banyak node/unit yang dihubungkan oleh link secara langsung. Link dari unit yang satu ke unit yang lainnya digunakan untuk melakukan propagasi aktivasi dari unit pertama ke unit selanjutnya. Setiap link memiliki bobot numerik. Bobot ini menentukan kekuatan serta penanda dari sebuah konektivitas.

Proses pada ANN dimulai dari input yang diterima oleh neuron beserta dengan nilai bobot dari tiap-tiap input yang ada. Setelah masuk ke dalam neuron, nilai input yang ada akan dijumlahkan oleh suatu fungsi perambatan (summing function), yang bisa dilihat seperti pada di gambar dengan lambang sigma (∑). Hasil penjumlahan akan diproses oleh fungsi aktivasi setiap neuron, disini akan dibandingkan hasil penjumlahan dengan threshold (nilai ambang) tertentu. Jika nilai melebihi threshold, maka aktivasi neuron akan dibatalkan, sebaliknya, jika masih dibawah nilaithreshold, neuron akan diaktifkan. Setelah aktif, neuron akan mengirimkan nilai output melalui bobot-bobot outputnya ke semua neuron yang berhubungan dengannya. Proses ini akan terus berulang pada input-input selanjutnya.

ANN terdiri dari banyak neuron di dalamnya. Neuron-neuron ini akan dikelompokkan ke dalam beberapa layer. Neuron yang terdapat pada tiap layer dihubungkan dengan neuron pada layer lainnya. Hal ini tentunya tidak berlaku pada layer input dan output, tapi hanya layer yang berada di antaranya. Informasi yang diterima di layer input dilanjutkan ke layer - layer dalam ANN secara satu persatu hingga mencapai layer terakhir/layer output. Layer yang terletak di antara input dan output disebut sebagai hidden layer. Namun, tidak semua ANN memiliki hidden layer, ada juga yang hanya terdapat layer input dan output saja.
 

CONTOH PENERAPAN ARTIFICIAL NEURAL NETWORK

Algoritma ANN lahir dari gagasan seorang psikolog Warren McCulloch dan Walter Pitts pada 1943 yang menjelaskan cara kerja jaringan syaraf dengan perangkat jaringan elektronik.

Didalam dunia seismik eksplorasi, algoritma ANN sudah cukup populer diaplikasikan, diantaranya untuk identifikasi noise, estimasi wavelet, analisa kecepatan, analisis gelombang geser, autotracking reflector, prediksi hidrokarbon, karakterisasi reservoir, dll.

Konfigurasi sederhana algoritma ANN dapat dijelaskan pada gambar dibawah ini:

Courtesy Hampson Russell

Dari gambar di atas terlihat bahwa, prinsip dasar ANN adalah sejumlah parameter sebagai masukan (input layer) diproses sedemikian rupa didalam hidden layer (perkalian, penjumlahan, pembagian, dll.), lalu diproses lagi didalam output layer untuk menghasilkan sebuah output.

Courtesy Hampson Russell

Gambar diatas menunjukkan contoh penerapan ANN untuk data seismik, katakanlah kita memiliki beberapa input seperti impedance (x1), reflection strength (x2), instantaneous frequency (x3),… dll . yang akan digunakan untuk memprediksi porositas reservoir sebagai output. Maka secara sederhana porositas reservoir akan didapatkan dengan mengkalikan setiap sampel data input dengan suatu pembobotan (weight) lalu dijumlahkan, lalu hasil penjumlahan tersebut menjadi input untuk fungsi aktivasi untuk menghasilkan parameter porositas.

Fungsi aktivasi tersebut dapat berupa sigmoid function ataupun hyperbolic tangent function (perhatikan keterangan dibawah ini).

Courtesy Hampson Russell

Tentu kita menginginkan agar nilai porositas yang diprediksi semirip mungkin dengan nilai porositas yang sesungguhnya, dengan kata lain kita harus memiliki nilai selisih (baca error) antara nilai prediksi dengan nilai sesungguhnya yang sekecil mungkin, untuk tujuan ini didalam algoritma ANN di atas, kita harus melakukan updating nilai weight untuk masing-masing input.

Sumber :

• http://elektronika-dasar.web.id/jaringan-syaraf-tiruan-neural-network/
• http://www.metode-algoritma.com/2013/06/artificial-neural-network-ann-jaringan.html
• Yani, Eli. (2005). Pengantar Jaringan Saraf Tiruan. Artikel kuliah.