· .Seminar Nasional Aplikasi Teknologi Informasi 2012 (SNATl 2U12) Yogyalwrta. 15-J6Juni 2012
ISSN: 1907-5022
PERAMALAN AWAL MUSIM HUJAN MENGGUNAKAN JARINGAN SYARAF TIRUAN BACKPROPAGATION LEVENBERG-MARQUARDT
\ \ \
Agus Buono', AlifKurniawan\
dan Akhmad Faqih'
'Departemen Ilmu Komputer. Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam. Institut Pertanian Bogor Jl. Raya Darmaga - Bogor Jawa Barat Telp.!Fax (0251) 8625584 ] Center For Climate Risk and Opportunity Management (CCROM) IPB Jl. Raya Pajajaran - Bogor Jawa Barat Telp.!Fax (0251) 88313709 E-mail:
[email protected]
L
\ \
ABSTRAK Penelitian ini difokuskan pada pemodelan Jaringan Syaraf Tiruan propagasi balik Levenberg-Marquardt untuk prediksi Awal Musim Hujan (AMH). dengan mengambil studi kasus Kabupaten Indramayu. Peubah yang dipergunakan sebagai prediktor adalah Southern Oscillation Index (SOl). Pemilihan bulan untuk data SOl berdasar nilai korelasi pada taraf nyata 5%. Sedangkan peubah respon adalah awal musim hujan satu periode ke depan yang diukur dalam dasarian (10 harian). Dari 30 tahun periode data (1978-2007). selanjutnya dilakukan pemodelan JST dengan 4 variasi jumlah hidden neuron (5. 10. 15 dan20) dan divalidasi dengan metode Leave One Out (LOO) cross validation untuk melihat skil dari model dalam melakukan prediksi. Hasil Percobaan menunjukkan bahwa SOl bulan Juni. Juli dan Agustus mempunyai korelasi yang kuat dengan awal 'musim hujan. dengan korelasi masing-masing sebesar -0.46, -0.368, dan -0.364. Berdasar SOl pada 3 bulan -tersebut dibangun model JST dengan output AMH. Skil model JST diukur menggunakan korelasi antara j!ruervasi dengan hasil prediksi. Korelasi tertinggi diperoleh dengan menggunakan hidden neuron 20, yaitu sebesar 0.99. Sedangkan untuk hidden neuron 5. 10 dan 15 masing-masing menghasilkan prediksi dengan Mrelasi sebesar 0.58. 0.7 dan 0.8.
L 'Kala kunci: Awal Musim Hujan (AMH), Souther Oscillation Index (SOl), Dasarian. Jaringan Syaraf Tiruan YJST). Leave One Out (LOO) cross validation. dirumuskan langakah-Iangkah antisipasi untuk menekan risiko gagal panen, Lo et al., 2007 dan Robertson et al., 2009 menunjukkan secara empiris adanya pengaruh dari feneomena global seperti ENSO (El Nino Southern Oscillation), 100 (Indian Oce an Dipoie), SOl (South er Oscillation Index) dan lainnya terhadap peubah-peubah iklim lokal tersebut di atas. Haylock 2001 menunjukkan adanya korelasi yang kuat antara SOl dengan karakteristik hujan di lndonesia. Said 20 II memodelkan jaringan syaraf tiruan untuk prediksi panjang musim hujan berdasar SOl dengan korelasi antara observasi dengan hasil prediksi sebsar 0.84. Hung 2009 menggunakan jaringan syaraf tiruan untuk prediksi awal musim hujan di Thailand berdasar fenomena global tersebut di Samudera Pasifik. Akurasi dari model yang dibangun adalah adanya korelasi 0.94 antara obseravsi dengan prediksi. "Buono et al 2010 memodelkan jaringan syaraf tiruan untuk downscaling data General Circular Model untuk. prediksi curah hujan di Indramayu dan mernberikan akurasi berupa korelasi antara observasi dengan hasil prediksi sekitar 0.70. Dengan demikian, informasi mengenai fenomerna global dapat dimanfaatkan untuk melakukan prediksi iklim lokal yang selanjutnya menjadi masukan dalam
1. PENDAHULUAN ~.1 Latar Belakang Keragaman hasil produksi padi di Indonesia berkaitan erat dengan keragaman curah hujan. Etajk·pada saat curah hujan di atas rata-rata ataupun ctifah hujan di bawah rata-rata. Berdasar data yang ~81% kegagalan panen disebabkan oleh nIlabjlitas iklim, dan 19% dikarenakan serangan ~ (Boer et al. 2008), Dari kegagalan yang lisebabkan v8liabilitas iklim tersebut, 90% berupa ~a kek~ringan yang terjadi pada masa ~aman kedua. Hal ini diperparah jika awal im hujan mengalami kemunduran. Dengan undurnya awal musim hujan. maka penanaman ga mengalami kemunduran, sehingga penanaman ~ masa tanam pertama berkurang. Hal ini !ikornpensasi oleh petani dengan meningkatkan Ieiliilaman padi pada musim tanam kedua. tl=rtanaman pada pada musim tanam kedua ini lwan terhadap kekeringan, khususnya jika panjang iIsim hujan adalah pendek dan sifat hujan di ~arau adalah di bawah normal. Untuk icminimalisasi risiko bencana kekeringan tersebut fP&tUkan informasi mengenai awal musim hujan ~anjang musim serta sifat hujan di musim ~u. Dengan informasi ini, maka bisa
~t
B-27
'I
Surinar NaslollQl AplIkDsf Teknologi Informasi la I 1 (SNATI la I 1) YogytWzrla. Jj·16.hmll01Z
ISSN: 1907·5011
PdifT
memutuskan langkah adaptasi sehingga kerugian yang terjadi dapat diminimalkan. Penelitian yang dilakukan uu bertujuan membuat model jaringan syaraf tiruan untuk prediksi awal musim hujan dengan mengambil studi kasus di Indramayu. Pemilihan lokasi ini didasarkan bahwa Indramayu merupakan wilayah lumbung padi nasional dan bersifat rawan terhadap bencana karena iklim, baik yang berupa banjir maupun kekeringan seperti diperlihatkan pada Gambar I ~>Suono et al
mlo~
P~r~lian dengan 10 adalah suatu konvensi sehingga rentang dari SOl pada interval [-35,35]. Gambar 2 menyajikan contoh perhitungan SOl tahun 1990 sampai dengan tahun 1991 oleh Badan Metereologi Australia.
nilai
L•.••
ae..c-
~"Kdl~
• (rata-rata MSLP Tahiti per bulan) (rata-rata MSLP Darwin per bulan) =: rata-rata Pdiffpada bulan yang dicari. =: standar defiasi dari Pdiff dari bulan yang dicari
~
~tIC\cI~
1500
o
.!!
!ndt~yu
Z ·10
t- ..•. -------
·IS ·20
..
~
JOO
·25
•
•
600
•
• 900
1200
TahuD - Feb
- Mar
- Apr
- Mei
- Jun
- Agu
- Sep
- Okr
• Nov
- Des
1500
Gambar 2. Data SOl 1990-1991 Gambar 1. Posisi Indramayu terhadap Kabupaten lain di jawa berdasar Luas Bencana Banjir dan Kekeringan
Kalau pada Said 20 II, pe ubah prediktor adalah suhu permukaan laut pada Bulan Juni, Juli dan Agustus, maka pada penelitian ini adalah SOl dengan bulan yang didasarkan pada analisis korelasi antara awal musim hujan dengan SOl dengan taraf nyata 95%.
Selanjutnya paper ini disajikan dengan susunan sebagai berikut : Bagian 2 mengenai data dan metodologi. Hasil dan Pembahasannya disajikan pada bagian 3. Sebagai penutup adalah kesimpulan dan saran untuk penelitian selanjutnya yang disajikan pada bagian 4.
2.2
Metodologi Tahapan penelitian yang dilakukan adalah mengikuti diagram alur seperti disajikan pada Gambar 3. Setelah diperoleh data awal musim hujan (dari BMKG Jakarta) dan SOl (dari website Badan Meteorologi Australia), selanjutnya dilakukan ~alisis korelasi untuk memilih bulan dari SOl yang dipergunakan sebagai prediktor. Setelah terpilih bulan untuk data SOl yang dipergunakan sebagai prediktor, maka selanjutnya membagi data menjadi 2 bagian, yaitu data latih dan data uji. Dari data latih dibuat model JST propagasi balik LevenbergMarquardt untuk setiap jumlah neuron hidden (5, 10, 15 dan 20). Persamaan matematika untuk menentukan bobot baru pada algortima LevenbergMarquardt adalah (Bishop 1995):
2. DATA DAN METODOLOGI 2.1 Data Ada dua jenis data yang dipergunakan dalam penelitian ini, yaitu data observasi iklim di stasiunstasiun curah hujan di Indramayu dan data SOl yang keduanya tersedia dari tahun 1978 hingga 2008. Data awal musim hujan diperoleh dari BMKG (Badan Meteorologi Klimatologi dan Geofisika), dan data SOl dari Badan Meteorologi Australia melalui website. Awal musim hujan dihitung dengan satuan dasarian (yaitu 10-harian). Dalam I tahun ada 36 dasarian. dimulai dasarian pertama di 10 hari pertama pada Bulan Januari dan dasarian ke 36 pada 10 hari terakhir di Bulan Januari. SOl merupakan perbandingan antara tekanan udara di Pulau Tahiti dengan tekanan udara dt Darwin Australia dan dirumuskan sebagai:
w_ =Wold-(zTZ)'lZT~(Wold)
dengan w_ . =: ooootoaru Wold = bobot lama = vektor galat =: rnatrix yang anggotanya adalah diferensial galat terhadap bobolnya.
z
[Pdiff·Pditfav]
501=10
SD(pdift)
Dengan :
8028
hasil
ISSN: 1907-5022
minar Nasional Aplikasi Teknologi Informasi 2012 (SNA TI 2012) . gyakarta. 15-16 Juni 2012
Juli dan Agustus. Oleh karena itu selanjutnya berdasar SOl ini dibangun model JST.
Setelah itu dilakukan pengujian menggunakan ta uji. Dalam penelitian ini, proses percobaan lakukan dengan menggunakan metode LOO eave One Out) Cross Validation. Dari 30 data hun 1978-2007), satu periode sebagai data uji dan periode lainnya sebagai data latih. Proses ini akukan 30 kali. Berdasar hasil validasi silang ini akukan analisis untuk mengetahui kinerja model r dalam memprediksi AMH. Oleh karena awal musim hujan biasanya sekitar lan Oktober dan dengan pertimbangan bahwa {KG menyediakan prediksi pada 3 bulan lelumnya, maka bulan SOl yang dihitungkan uk dicek pengaruhnya adalah Bulan Januari .gga Agustus.
0.300 0.200
0.211 0.165
0.100 0.000
:;i -o.ioo 111
-1l.106 -1l.200 -1l.300 -1l.400 .(}.500
-1l.368 '(}.364 .(}.• 26
Gambar 4. Nilai Korelasi antara SOl Bulan Januari hingga Agustus dengan AMH Dalam hal ini ada 5 peubah input, yaitu : SOl Bulan Juni, Bulan Juli, Bulan Agustus dan selisih SOl antara Bulan Juli dengan SOl Bulan Juni dan selisih SOl Bulan Agustus dengan SOl Bulan Juli. Neuron hidden yang dicoba adalah 5, 10, 15 dan 20, sehingga arsitektur jaringan adalah seperti disajikan pada Gambar 5.
Pengambilan Data Observasi dan data SOl
Preprosessing : Pemilihan Bulan untuk SOl: Analisis Korelasi SOl dan AMH
Pemodelan JST propagasi balik Levenberg\1arquardt dengan 4 hidden neuron yang dicoba (5, 10, 15 dan 20).
Model JST Gambar 5. Arsitektur 1ST untuk Model Prediksi AMH dengan 6 Neuron Input
Analisis dan Pembahasan
Perbandingan hasil prediksi dari ke empat arsitektur tersebut disajikan pada Gambar 6. Dari gambar tersebut terlihat bahwa JST dengan hidden neuron sebanyak 20 memberikan akurasi terbaik, yaitu hampir semuanya tepat, Kesalahan yang terjadi tidak lebih dari satu .dasarian. Sedangkan untuk JST dengan 5 hidden neuron mempunyai rentang kesalahan cukup besar dari -5 hingga 6 dasrian, dengan mayoritas kesalahannya pada rentang I dasarian (baik maju maupun mundur). Untuk JST dengan 10 neuron hidden, kesalahan sebagian terjadi pada rentang dasarian maju dan 2
Gambar 3. Diagram Alur Percobaan HASIL DAN PMBAHASAN Analisis Korelasi Pemilihan Bulan .nalisis korelasi antara SOl mulai Bulan Januari ~a Agustus disajikan pada Gambar 4. asar uji statistik untuk nilai korelasi pada taraf i%, diperoleh hasil bahwa SOl yang secara I mempengaruhi AMH adalah SOl Bulan Juni,
8-29
Seminar Nasional Aplikasi Teknologi Informasi 20! 2 (SNA TI 2012) Yogyakarta, /5-/6 Juni 2012
JSSN: /907-5022
hingga 3 dasarian mundur. Untuk JST dengan 15 hidden neuron memberikan akurasi cukup baik, yaitu hampir semuanya tepat, namun ada beberapa tahun yang diprediksi jauh dari nilai sebenarnya.
kecuali pada tahun 2006. prediksi mundur I dasarian (a)
Arsitektur -e-
Boxpiot of Enw (Dasarian) vs knIaII HIdea Neuroa
Pada tahun ini AMH
1 : 5 Hidden Neuron
Observasi _
Prediksi
~r---------------------------------' •
·S.O
Tahun
--10
20
IS
(b) _
Gambar 6. Boxplot Perbandingan Tingkat Kesalahan (dalam Dasarian) dari 4 Arsitektur JST
5 Nooson
~
10 Nooson
__
15 Nooson
--
Observasi _
Prediksi
j
i 40
e.
t 35
Kalau dilihat lebih lanjut mengenai tahun-tahun yang sulit diprediksi, terlihat bahwa masing-masing model memberikan informasi yang berbeda seperti ditunjukkan pada Gambar 7. Dari gambar tersebut terlihat tidak ada kemiripan mengenai pola kesalahan. Sementara itu, arsitektur JST dengan 20 neuron hidden memberikan akurasi yang sangat baik. Kesalahan signifikan sebesar I dasarian terjadi pada tahun 2006, yaitu maju I dasarian. __
45
Arsitektur 2 : 10 Hidden Neuron
-e-
:z: E 30 ::J
0\
!
•J
25
ct 20
+--.--.--.-.--.--,-,--,--,.--,,..-,---.---.----.78 80 82 84 86 88 90 92 94 96 98 OO 02 04 06 Tahun
(c)
Arsitektur 3: 15 Hidden Neuron --Observasl
20 Nooson
_Prediksi
78 80 82 84 86 88 90 92 94 96 98 OO 02 04 06
T.,u"
Tahun
(d)
Gambar 7. Pola Kesalahan Prediksi (Dalam Dasarian) dari Setiap Arsitektur JST
_
45
Arsitektur 4 : 20 Hidden Neuron
--Observasi
_Prediksi
j
!
Gambar 8 memberikan perbandingan antara pola data observasi dengan pola hasil prediksi dari tahun 1978 hingga 2007. Dengan 5 neuron hidden terlihat bahwa kesalahan prediksiawal musim hujan mencapai 7 dasarian maju yang terjadi pada tahun 1993. Pada tahun 1980 terjadi salah prediksi 5 dasarian mundur. Hal yang hampir sama juga terjadi pada JST dengan 10 neuron hidden, dengan kesalahan prediksi yang lebih kecil, yaitu 5 dasarian maju~-fl.994~ -dan 3 dasarian mundur -(L9.80). Dengan 15 hidden neuron, tingkat kesalahan makin kecil, dan terjadi pada sebelum tahun 1990, dengan kesalahan tertingginya adalah 5 dasarian mundur (1983). JST dengan 15 dasarian memberikan akurasi yang sangat baik, hampir semuanya tepat,
40
1 35 ::J :z:
E 30
~
! 25
i
78 80 82 84 86 88 90 92 94 96 98 OO 02 04 06 Tahun
Gambar 8. Perbandingan Pola Observasi dengan Pola Prediksi Hasil JST pada 4 Jenis Neuron Hidden Jaringan syaraf tiruan dengan 20 hidden neuron juga memberikan prediksi dengan ketelitian yang
8-30
\ minor Nasional Aplikasi Teknologi Informasi 2012 (SNA TI 20 I 2) gyakorta. 15-16 Juni 2012
ISSN: 1907-5022
\
\ggi. Hal ini ditunjukkan dengan nilai root mean uare error (RMSE) yang kecil dibandingkan ngan 3 model lainya seperti terlihat pada Gambar Dari gambar ini terlihat bahwa nilai RMSE dari r dengan 20 neuron hidden adalah sekitar 0.25. J ini berarti hampir semua nilai prediksi :mpunyai kesalahan di bawah 0.25 dasarian. Oleh ena itu, jika dilakukan pembulatan terhadap nilai diksi, maka hasil prediksi AMH akan persis sama igan nilai observasi.
(b)
Arsitektur 1 : 5 Hidden Neuron
\
50
••.-:'6 eD oo Q..
45
\
40
\
35
\
30
\ 25
• RMSE
25
30
35
2.5
40
45
50
Observasi
2 ~1.5 :Q 1 0.5
(c)
Arsitektur 2: 10 Hidden Neuron
50 45
o 1
2 3 Kelompok arsitektur
••.-:
4
~
CD Q..
nbar 9. Grafik Perbandingan Nilai RMSE dari 4 Arsitektur JST
35 30 25
ika dilakukan fitting antara nilai observasi :an nilai prediksi terlihat bahwa koefisien minasinya meningkat dari 34% menjadi 99% JST dengan 5 hidden neuron ke JST dengan 20 en neuron seperti diperlihatkan pada Gambar Fakta ini mengatakan bahwa model JST nberg-Marquardt dengan 20 neuron hidden dan SOl bulan Juni, Juli, Agustus, selisih SOl I Juli dengan Juni dan selisih SOl bulan tus dengan Juli mampu memberikan hasil ksi sangat baik.
25
30
35
40
45
50
Observasl (d)
Arsitektur 3: 15 Hidden Neuron
50 45
••
"ii 40
.-:
•
'6
CD oo Q..
99
100
40
'6
35 30
•
25
80
25
30
35
40
45
50
Observasl
60 (e)
40
Arsitektur 4 : 20 Hidden Neuron
50 20 45
o 5 hidden
10 hidden
15 hidden
20 hidden
neuron
neuron
neuron
neuron
••~'6
40
A-
35
f
lambar 10. Koefisien Determinasi hubungan I Observasi vs Prediksinya untuk 4 Jenis JST
30 25
ililiir II menyajikan scatter piot antara ii dengan observasi. Dari gambar tersebut
25
30
35
40
45
50
Observasl
: bahwa semua model memberikan prediksi tidak underestimate dan juga tidak imate. semuanya berkisar di sekitar garis
Gambar II. Piot antara Observasr AMH dengan Nilai Prediksinya untuk 4 Jenis JST
8-31
ISSN: 1907-5022
Seminar Nasional Aplikasi Teknologi Informasi 2012 (SNATI 2012) Yogyakarta, 15-16 Juni 2012
4.
Lo, F., Wheeler, M.C., Meinke, H. and Donald, A., 2007. Probabilistic forecasts of the onset of the North Australian wet season. Monthly Weather Review, 135,3506-3520. Rizaldi Boer, 2008. Climate Change impact and adaptation in Indonesia. Discussion on Climate Change Impact, Friend of Earth, Tokyo, Japan. Robertson, A. W. , V. Moron, and Y. Swarinoto, 2009. Seasonal predictability of daily rainfall statistics over Indramayu district, Indonesia. Int. J. Climatology, 29, 1449-1462. Said MM. 20 II. Peramaian Panjang Musim Tiruan Resilient Backpropagation [skripsi]. Bogor: Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Institut Pertanian Bogor.
KESIMPULAN Berdasar percobaan yang sudah dilakukan ada beberapa kesimpulan yang bisa disajikan disini, yaitu bahwa SOl Bulan Juni, Juli dan Agustus dapat dipergunakan sebagai prediktor dalam memprediksi AMH satu periode ke depan dengan korelasi berkisar dari -0.36 hingga -0.42. Dalam hal ini jika SOl bernilai negatif, maka ada kecenderungan bahwa AMH makin besar, yang berarti musim hujan mundur. Dugaan AMH dari Model JST LevenbergMarquardt mempunyai rataan yang sesuai dengan observasi (tidak overestimate dan tidak underestimate) dengan nilai korelasi berkisar dari 0.6 hingga 0.99. Model terbaik adalah JST dengan jumlah neuron hidden sebanyak 20 yang menghasilkan RMSE 0.25. Sementara itu model terjelek adalah dengan 5 neuron hidden yang rnengahasilkan prediksi dengan RMSE 2.5. Hal ini berarti nilai prediksinya sebagian besar mundur atau maju 2.5 dasarian. UCAPAN TERIMA KAsIH
Penelitian ini adalah bagian dari Proyek IMHERE B2c lPB yang dibiayai oleh Pemerintah Indonesia melalui kontrak No. 7/13.24.4/SPP/IMHEREl20 II. Penulis juga mengucapkan terima kasih kepada BMKG yang menyediakan data Awal Musim Hujan
PUSTAKA Bishop Christopher M. 1995. Neural Network for Pattern Recognition. Oxford University Press Inc, New York. "Buono, et. al. 20 IO. A Principle Component Analysis Cascade with Multivariate Regression for Statistical Downscaling Technique : A Case Study in Indramayu District. Proceedings dalam Intemational Conference in Computer Science and Information System (lCACSIS), November 20 I0, Bali Indonesia, ISSN 20861796, Hal. 321-327 b)Buono, et al. 20 I O. A Neural Network Architecture for Statistical Downscalling Technique : A Case Study in Indramayu District. Proceedings AFIT A 20 I0 Intemational Conference The Quality Information For Competitive Agricultural Based Production System and Commerce, ISSN 978-979-493-277-3 Haylock Malcolm, McBridge John. 2001. Spatial Cohercnce and Predictability of Indonesian Wet Season Rainfall. Journal of Climate 14:3882-3887. Hung NQ, MS Babel, S Weesakul, NK Tripathi. 2009. An Artificial neural network model for rainfall forecasting in Bangkok, Thailand. Hydrology and Earth System Sciences 13:1413-1425
8-32
