Algoritma Genetika dan Contoh Aplikasinya

Algoritma Genetika dan Contoh Aplikasinya

Pengantar

Algoritma genetika adalah algoritma komputasi yang diinspirasi teori evolusi yang kemudian diadopsi menjadi algoritma komputasi untuk mencari solusi suatu permasalahan dengan cara yang lebih “alamiah”. Salah satu aplikasi algoritma genetika adalah pada permasalahan optimasi kombinasi, yaitu mendapatkan suatu nilai solusi optimal terhadap suatu permasalahan yang mempunyai banyak kemungkinan solusi. Dalam tulisan ini akan dibahas teori dasar algoritma genetika beserta contoh aplikasinya dalam menyelesaikan suatu permasalahan optimasi kombinasi sederhana.

Teori Dasar Algoritma Genetika

Algoritma genetika yang dikembangkan oleh Goldberg adalah algoritma komputasi yang diinspirasi teori evolusi Darwin yang menyatakan bahwa kelangsungan hidup suatu makhluk dipengaruhi aturan “yang kuat adalah yang menang”. Darwin juga menyatakan bahwa kelangsungan hidup suatu makhluk dapat dipertahankan melalui proses reproduksi, crossover, dan mutasi. Konsep dalam teori evolusi Darwin tersebut kemudian diadopsi menjadi algoritma komputasi untuk mencari solusi suatu permasalahan dengan cara yang lebih “alamiah”.
Sebuah solusi yang dibangkitkan dalam algoritma genetika disebut sebagai chromosome, sedangkan kumpulan chromosome-chromosome tersebut disebut sebagai populasi. Sebuah chromosome dibentuk dari komponen-komponen penyusun yang disebut sebagai gen dan nilainya dapat berupa bilangan numerik, biner, simbol ataupun karakter tergantung dari permasalahan yang ingin diselesaikan.

Chromosome-chromosome tersebut akan berevolusi secara berkelanjutan yang disebut dengan generasi. Dalam tiap generasi chromosome-chromosome tersebut dievaluasi tingkat keberhasilan nilai solusinya terhadap masalah yang ingin diselesaikan (fungsi_objektif) menggunakan ukuran yang disebut dengan fitness. Untuk memilih chromosome yang tetap dipertahankan untuk generasi selanjutnya dilakukan proses yang disebut dengan seleksi. Proses seleksi chromosome menggunakan konsep aturan evolusi Darwin yang telah disebutkan sebelumnya yaitu chromosome yang mempunyai nilai fitness tinggi akan memiliki peluang lebih besar untuk terpilih lagi pada generasi selanjutnya.

Chromosome-chromosome baru yang disebut  dengan offspring, dibentuk dengan cara melakukan perkawinan antar chromosome-chromosome dalam satu generasi yang disebut sebagai proses crossover. Jumlah chromosome dalam populasi yang mengalami crossover ditetukan oleh paramater yang disebut dengan crossover_rate. Mekanisme perubahan susunan unsur penyusun mahkluk hidup akibat adanya faktor alam yang disebut dengan mutasi direpresentasikan sebagai proses berubahnya satu atau lebih nilai gen dalam chromosome dengan suatu nilai acak. Jumlah gen dalam populasi yang mengalami mutasi ditentukan oleh parameter yang dinamakan mutation_rate. Setelah beberapa generasi akan dihasilkan chromosome-chromosome yang nilai gen-gennya konvergen ke suatu nilai tertentu yang merupakan solusi terbaik yang dihasilkan oleh algoritma genetika terhadap permasalahan yang ingin diselesaikan.

Aplikasi Algoritma Genetika

Berikut adalah contoh aplikasi algoritma genetika yang digunakan untuk menyelesaikan masalah kombinasi. Misalkan ada persamaan a+2b+3c+4d = 30, kita mencari nilai a, b, c, dan d yang memenuhi persamaan diatas. Kita mencoba menggunakan algoritma genetika untuk menyelesaikan permasalahan diatas.

Penjelasan mengenai langkah-langkah penyelesaian permasalahan diatas menggunakan algoritma genetika adalah sebagai berikut:

1. Pembentukan chromosome

Karena yang dicari adalah nilai a, b, c, d maka variabel  a, b, c, d dijadikan sebagai gen-gen pembentuk chromosome. Batasan nilai variabel a adalah bilangan integer 0 sampai 30. Sedangkan batasan nilai variabel b, c, dan d adalah bilangan integer 0 sampai 10.

2. Inisialisasi
Proses inisialisasi dilakukan dengan cara memberikan nilai awal gen-gen dengan nilai acak sesuai batasan yang telah ditentukan.
Misalkan kita tentukan jumlah populasi adalah 6, maka:
Chromosome[1] = [a;b;c;d] = [12;05;03;08]
Chromosome[2] = [a;b;c;d] = [02;01;08;03]
Chromosome[3] = [a;b;c;d] = [10;04;03;04]
Chromosome[4] = [a;b;c;d] = [20;01;10;06]
Chromosome[5] = [a;b;c;d] = [01;04;03;09]
Chromosome[6] = [a;b;c;d] = [20;05;07;01]

3. Evaluasi Chromosome
Permasalahan yang ingin diselesaikan adalah  nilai variabel a, b, c, dan d yang memenuhi persamaan a+2b+3c+4d = 30, maka fungsi_objektif yang dapat digunakan untuk mendapatkan solusi adalah  fungsi_objektif(chromosome) = | (a+2b+3c+4d) – 30 |
Kita hitung fungsi_objektif dari chromosome yang telah dibangkitkan:
fungsi_objektif(chromosome[1]) = Abs(( 12 + 2*5 + 3*3 + 4*8 ) – 30)
= Abs((12 + 10 + 9 + 32 ) – 30)
= Abs(63 – 30)
= 33
fungsi_objektif(chromosome[2]) = Abs(( 2 + 2*1 + 3*8 + 4*3 ) – 30)
= Abs(( 2 + 2 + 24 + 12 ) – 30)
= Abs(40 – 30)
= 10
fungsi_objektif(chromosome[3]) = Abs(( 10 + 2*4 + 3*3 + 4*4 ) – 30)
= Abs(( 10 + 8 + 9 + 16 ) – 30)
= Abs(43 – 30)
= 13
fungsi_objektif(chromosome[4]) = Abs(( 20 + 2*1 + 3*10 + 4*6 ) – 30)
= Abs(( 20 + 2 + 30 + 24 ) – 30)
= Abs(76 – 30)
= 46
fungsi_objektif(chromosome[5]) = Abs(( 1 + 2*4 + 3*3 + 4*9 ) – 30)
= Abs(( 1 + 8 + 9 + 36 ) – 30)
= Abs(54 – 30)
= 24
fungsi_objektif(chromosome[6]) = Abs(( 20 + 2*5 + 3*7 + 4*1 ) – 30)
= Abs(( 20 + 10 + 21 + 4) – 30)
= Abs(55 – 30)
= 25
Rata-rata dari fungsi objektif adalah:
rata-rata = (33+10+13+46+24+25)/6
= 151 / 6
= 25.167
4. Seleksi Chromosome
Proses seleksi dilakukan dengan cara membuat chromosome yang mempunyai fungsi_objektif kecil mempunyai kemungkinan terpilih yang besar atau mempunyai nilai probabilitas yang tinggi. Untuk itu dapat digunakan fungsi fitness = (1/(1+fungsi_objektif)), fungsi_objektif perlu ditambah 1 untuk menghindari kesalahan program yang diakibatkan pembagian oleh 0.

fitness[1]     = 1 / (fungsi_objektif[1]+1)
= 1 / 34
= 0.0294
fitness[2]     = 1 / (fungsi_objektif[2]+1)
= 1 / 11
= 0.0909
fitness[3]    = 1 / (fungsi_objektif[3]+1)
= 1 /  14
= 0.0714
fitness[4]    = 1 / (fungsi_objektif[4]+1)
= 1 / 47
= 0.0212
fitness[5]    = 1 / (fungsi_objektif[5]+1)
= 1 / 25
= 0.0400
fitness[6]    = 1 / (fungsi_objektif[6]+1)
= 1 / 26
= 0.0385
total_fitness     = 0.0294 + 0.0909 + 0.0714 + 0.0212 +  0.04 + 0.0385
= 0.2914

Rumus untuk mencari probabilitas: P[i] = fitness[i] / total_fitness

P[1]     = 0.0294 / 0.2914
= 0.1009
P[2]     = 0. 0909 / 0.2914
= 0.3119
P[3]     = 0. 0714 / 0.2914
= 0.2450
P[4]     = 0. 0212  / 0.2914
= 0.0728
P[5]     = 0.04  / 0.2914
= 0.1373
P[6]     = 0.0385 / 0.2914
= 0.1321

Dari probabilitas diatas dapat kita lihat kalau chromosome ke 2 yang mempunyai fitness paling besar maka chromosome tersebut mempunyai probabilitas untuk terpilih pada generasi selanjutnya lebih besar dari chromosome lainnya. Untuk proses seleksi kita gunakan roulete wheel, untuk itu kita harus mencari dahulu nilai kumulatif probabilitasnya:
C[1]     = 0.1009
C[2]    = 0.1009+ 0.3119
= 0.4128
C[3]     = 0.1009+ 0.3119 + 0.2450
= 0.6578
C[4]     = 0.1009+ 0.3119 + 0.2450 + 0.0728
= 0.7306
C[5]     = 0.1009+ 0.3119 + 0.2450 + 0.0728 + 0.1373
= 0.8679
C[6]     = 0.1009+ 0.3119 + 0.2450 + 0.0728 + 0.1373 + 0.1321
= 1
Setelah dihitung cumulative probabilitasnya maka proses seleksi menggunakan roulete-wheel dapat dilakukan. Prosesnya adalah dengan membangkitkan bilangan acak R dalam range 0-1.
Jika R[k] < C[k] maka pilih chromosome 1 sebagai induk, selain itu pilih chromosome ke-k sebagai induk dengan syarat C[k-1] < R < C[k]. Kita putar roulete wheel sebanyak jumlah populasi yaitu 6 kali (bangkitkan bilangan acak R) dan pada tiap putaran, kita pilih satu chromosome untuk populasi baru. Misal:
R[1] = 0.201   >    C[1]=0,10   shg yg dipilih C[1] = C[2] krn 0,10 < 0,20 <  0,41 (C[2])
R[2] = 0.284   <    C[2]=0,41   shg yg dipilih C[2] = C[2] krn 0,10 < 0,28 < 0,41 (C[2])
R[3] = 0.009   <    C[3]=0,66   shg yg dipilih C[3] = C[1] krn 0,00 < 0,01 < 0,10 (C[1])
R[4] = 0.822   >    C[4]=0,73   shg yg dipilih C[4] = C[5] krn 0,73 < 0,82 < 0,87 (C[5])
R[5] = 0.398   >    C[5]=0,87  shg yg dipilih C[5] = C[2] krn 0,10 < 0,40 < 0,41 (C[2])
R[6] = 0.501   >    C[6]=1,00   shg yg dipilih C[6] = C[3] krn 0,41 < 0,50 <  0,66 (C[3])
Angka acak pertama R[1] adalah lebih besar dari C[1] dan lebih kecil daripada C[2] maka pilih chromosome[2] sebagai chromosome pada populasi baru, dari bilangan acak yang telah dibangkitkan diatas maka populasi chromosome baru hasil proses seleksi adalah:
chromosome[1] = chromosome[2]
chromosome[2] = chromosome[2]
chromosome[3] = chromosome[1]
chromosome[4] = chromosome[5]
chromosome[5] = chromosome[2]
chromosome[6] = chromosome[3]

Chromosome baru hasil proses seleksi:
chromosome[1] = [02;01;08;03]
chromosome[2] = [02;01;08;03]
chromosome[3] = [12;05;03;08]
chromosome[4] = [01;04;03;09]
chromosome[5] = [02;01;08;03]
chromosome[6] = [10;04;03;04]

5. Crossover
Setelah proses seleksi maka proses selanjutnya adalah proses crossover. Metode yang digunakan salah satunya adalah one-cut point, yaitu memilih secara acak satu posisi dalam chromosome induk kemudian saling menukar gen. Chromosome yang dijadikan induk dipilih secara acak dan jumlah chromosome yang mengalami crossover dipengaruhi oleh parameter crossover_rate  ( ρc ).
Pseudo-code untuk proses crossover adalah sebagai berikut:
begin
k← 0;
while(k<populasi) do
R[k] ← random(0-1);
if (R[k] < ρc ) then
select Chromosome[k] as parent;
end;
k = k + 1;
end;
end;

Misal kita tentukan crossover probability adalah sebesar 25%, maka diharapkan dalam satu generasi ada 50% Chromosome (3 chromosome) dari satu generasi mengalami proses crossover. Prosesnya adalah sebagai berikut:
Pertama kita bangkitkan bilangan acak R sebanyak jumlah populasi
R[1] = 0.191
R[2] = 0.259
R[3] = 0.760
R[4] = 0.006
R[5] = 0.159
R[6] = 0.340

Maka Chromosome ke k akan dipilih sebagai induk jika R[k] < ρc, dari bilangan acak R diatas maka yang dijadikan induk adalah chromosome[1], chromosome[4] dan chromosome[5].

Setelah melakukan pemilihan induk proses selanjutnya adalah menentukan posisi crossover. Ini dilakukan dengan cara membangkitkan bilangan acak dengan batasan 1 sampai (panjang chromosome-1), dalam kasus ini bilangan acak yang dibangkitkan adalah 1 – 3. Misalkan didapatkan posisi crossover adalah 1 maka chromosome induk akan dipotong mulai gen ke 1 kemudian potongan gen tersebut saling ditukarkan antar induk.

chromosome[1] >< chromosome[4]
chromosome[4] >< chromosome[5]
chromosome[5] >< chromosome[1]

Posisi cut-point crossover dipilih menggunakan bilangan acak 1-3 sebanyak jumlah crossover yang terjadi, misal
C[1] = 1
C[2] = 1
C[3] = 2

offspring[1] = chromosome[1] >< chromosome[4]
= [02;01;08;03] ><  [01;04;03;09]
= [02;04;03;09]
offspring[4] = Chromosome[4] >< Chromosome[5]
= [01;04;03;09] >< [02;01;08;03]
= [01;01;08;03]
offspring[5] = Chromosome[5] >< Chromosome[1]
= [02;01;08;03] >< [02;01;08;03]
= [02;01;08;03]
Dengan demikian populasi Chromosome setelah mengalami proses crossover menjadi:
chromosome[1] = [02;04;03;09]
chromosome[2] = [02;01;08;03]
chromosome[3] = [12;05;03;08]
chromosome[4] = [01;01;08;03]
chromosome[5] = [02;01;08;03]
chromosome[6] = [10;04;03;04]

6. Mutasi
Jumlah chromosome yang mengalami mutasi dalam satu populasi ditentukan oleh parameter mutation_rate. Proses mutasi dilakukan dengan cara mengganti satu gen yang terpilih secara acak dengan suatu nilai baru yang didapat secara acak. Prosesnya adalah sebagai berikut. Pertama kita hitung dahulu panjang total gen yang ada dalam satu populasi. Dalam kasus ini panjang total gen adalah total_gen     = (jumlah gen dalam chromosome) * jumlah populasi
= 4 * 6
= 24
Untuk memilih posisi gen yang mengalami mutasi dilakukan dengan cara membangkitkan bilangan integer acak antara 1 sampai total_gen, yaitu 1 sampai 24. Jika bilangan acak yang kita bangkitkan lebih kecil daripada variabel mutation_rate (ρm) maka pilih posisi tersebut sebagai sub-chromosome yang mengalami mutasi. Misal ρm kita tentukan 10% maka diharapkan ada 10% dari total_gen yang mengalami populasi:
jumlah mutasi      = 0.1 * 24
= 2.4
= 2
Misalkan setelah kita bangkitkan bilangan acak terpilih posisi gen 12 dan 18 yang mengalami mutasi. Dengan demikian yang akan mengalami mutasi adalah chromosome ke-3 gen nomor 4 dan Chromosome ke-5 gen nomor 2. Maka nilai gen pada posisi tersebut kita ganti dengan bilangan acak 0-30.

Misalkan bilangan acak yang terbangkitkan adalah 2 dan 5. Maka populasi chromosome setelah mengalami proses mutasi adalah:
chromosome[1] = [02;04;03;09]
chromosome[2] = [02;01;08;03]
chromosome[3] = [12;05;03;02]
chromosome[4] = [01;01;08;03]
chromosome[5] = [02;05;08;03]
chromosome[6] = [10;04;03;04]

Setelah proses mutasi maka kita telah menyelesaikan satu iterasi dalam algoritma genetika atau disebut dengan satu generasi. Maka fungsi_objective setelah satu generasi adalah:

chromosome[1]     = [02;04;03;09]
fungsi_objektif[1]     = Abs(( 2 + 2*4 + 3*3 + 4*9 ) – 30)
= Abs(( 2 + 8 + 9 + 36 ) – 30)
= Abs( 55 – 30)
= 25

chromosome[2]     = [02;01;08;03]
fungsi_objektif[2]    = Abs(( 2 + 2*1 + 3*8 + 4*3 ) – 30)
= Abs(( 2 + 2 + 24 + 12 ) – 30)
= Abs(40 – 30)
= 10

chromosome[3]     = [12;05;03;02]
fungsi_objektif[3]    = Abs(( 12 + 2*5 + 3*3 + 4*2 ) – 30)
= Abs(( 12 + 10 + 9 + 8 ) – 30)
= Abs(39 – 30)
= 9

chromosome[4]     = [01;01;08;03]
fungsi_objektif[4]    = Abs(( 1 + 2*1 + 3*8 + 4*3 ) – 30)
= Abs(( 1 + 2 + 24 + 12 ) – 30)
= Abs(39 – 30)
= 9

chromosome[5]     = [02;05;08;03]
fungsi_objektif[5]    = Abs(( 2 + 2*5 + 3*8 + 4*3 ) – 30)
= Abs(( 2 + 10 + 24 + 12 ) – 30)
= Abs(48 – 30)
= 18

chromosome[6]     = [10;04;03;04]
fungsi_objektif[6]    = Abs(( 10 + 2*4 + 3*3 + 4*4 ) – 30)
= Abs(( 10 + 8 + 9 + 16 ) – 30)
= Abs(43 – 30)
= 13

Rata-rata fungsi objektif setelah satu generasi adalah:
rata-rata = ( 25 + 10 + 9 + 9 + 18 + 13) / 6
= 84 / 6
= 14.0

Dapat dilihat dari hasil perhitungan fungsi objektif diatas bahwa setelah satu generasi, nilai hasil rata-rata fungsi_objektif lebih menurun dibandingkan hasil fungsi_objektif pada saat sebelum mengalami seleksi, crossover dan mutasi. Hal ini menunjukkan bahwa chromosome atau solusi yang dihasilkan setelah satu generasi lebih baik dibandingkan generasi sebelumnya. Maka pada generasi selanjutnya chromosome-chromosome yang baru adalah:

chromosome[1] = [02;04;03;09]
chromosome[2] = [02;01;08;03]
chromosome[3] = [12;05;03;02]
chromosome[4] = [01;01;08;03]
chromosome[5] = [02;05;08;03]
chromosome[6] = [10;04;03;04]

Chromosome-chromosome ini akan mengalami proses yang sama seperti generasi sebelumnya yaitu proses evaluasi, seleksi, crossover dan mutasi yang kemudian akan menghasilkan chromosome-chromosome baru untuk generasi yang selanjutnya. Proses ini akan berulang sampai sejumlah generasi yang telah ditetapkan sebelumnya.

Setelah 50 generasi didapatkan chromosome yang terbaik adalah:
Chromosome = [07;05;03;01]
Jika didekode maka:
a=7 ; b=5 ; c=3 ; d=1
Jika dihitung terhadap persamaan f = a+2b+3c+4d:
7 + (2*5) + (3*3) + (4*1) = 30