A Novel Hybrid Optimizer Based on Coati Optimization Algorithm and Differential Evolution for Global Optimization and Constrained Engineering Problems

تقدّم هذه الدراسة أسلوبًا استدلاليًا فوقيًا هجينًا جديدًا يجمع بين خوارزمية أمثلة الكواتي والتطور التفاضلي لمعالجة مهام الأمثلة العامة المعقدة ومشكلات التصميم الهندسي المقيدة، إذ تستلهم خوارزمية الكواتي سلوكيات البحث عن الغذاء والافتراس الاجتماعية لدى حيوان الكواتي بما يمنحها نزعة استكشافية قوية، بينما يوفّر التطور التفاضلي آليات طفرة وتهجين فعالة في تحسين الحلول، ويستهدف التهجين بينهما تحقيق عملية بحث متوازنة ومتكيفة تنقّل بكفاءة في بيئات أمثلة متنوعة وصعبة تجمع بين الاتساع وتعدد الأنماط والقيود، وقد خضعت الخوارزمية الهجينة لتقويم صارم على مجموعات دوال قياس عالمية متعاقبة وعلى مشكلات واقعية مقيدة قبل الحكم على مكانتها بين الخوارزميات الحديثة

أولًا: أهداف الدراسة ومنهجيتها

هدفت الدراسة إلى تطوير إطار أمثلة هجين يوازن بين الاستكشاف العام والاستغلال المحلي عبر دمج السلوك الاستكشافي لخوارزمية الكواتي مع آليات الطفرة والتهجين في التطور التفاضلي، واختبرت الخوارزمية على مجموعات دوال القياس المرجعية لأعوام 2014 و2017 و2020 و2022 التي تشمل دوال أحادية النمط ومتعددة الأنماط وهجينة وتركيبية، وطبّقتها على مشكلات تصميم واقعية مقيدة منها تصميم أوعية الضغط وأمثلة العارضة الناتئة وتصميم العارضة الخرسانية المسلحة، وقارنتها بخوارزميات حديثة عديدة شملت النسختين الأصليتين المدمجتين وأساليب منافسة متنوعة، واستخدمت في التحليل الإحصائي اختبارات ويلكوكسون لمجموع الرتب وتقويمات الترتيب للتحقق من دلالة الفروق، وفحصت سلوك التقارب وقياس الاستكشاف والاستغلال وتحليل الحساسية للوقوف على تكيف الخوارزمية وثباتها

ثانيًا: أبرز النتائج

أظهرت المقارنات أن الخوارزمية الهجينة حققت المرتبة الأولى في المتوسط عبر مجموعات القياس الأربع جميعها، وحققت الأداء الأفضل في ثمانين في المئة من دوال مجموعة 2014 وفي 66.7 في المئة من دوال مجموعة 2017 وفي سبعين في المئة من دوال مجموعة 2020 وفي 66.7 في المئة من دوال مجموعة 2022، كما تفوّقت على خوارزميات فائزة بمسابقات مجموعات القياس العالمية أو عادلتها في دوال صعبة عديدة من مجموعة 2017، وأكّدت التحليلات الإحصائية بما فيها اختبارات ويلكوكسون لمجموع الرتب وتقويمات الترتيب دلالة تفوقها وموثوقيته، وأظهر سلوك التقارب وقياسات الاستكشاف والاستغلال وتحليل الحساسية قدرة الخوارزمية على التكيف والثبات عبر مجالات مشكلات متنوعة، وبذلك قدّمت جودة حلول متفوقة وسرعة تقارب أعلى ومتانة أكبر باطراد مقارنة بالخوارزميات الحديثة المنافسة

ثالثًا: دلالات الدراسة وتطبيقاتها

تُسهم هذه الدراسة بإطار أمثلة هجين كفؤ حسابيًا وقابل للتعميم يقدّم حلًا واعدًا للمعايير النظرية وتطبيقات العالم الواقعي على حد سواء، وتنعكس دلالاته على مهندسي التصميم والباحثين الذين يواجهون مشكلات مقيدة معقدة في ميادين مثل تصميم المكونات الميكانيكية والإنشائية حيث تتطلب القيود المتداخلة بحثًا متوازنًا لا يضحي بجودة الحل من أجل السرعة ولا بالعكس، كما يؤكد نجاح التهجين بين سلوك استكشافي مستلهم من الطبيعة وآليات تطورية كلاسيكية قيمة المقاربات الهجينة في تجاوز حدود كل أسلوب منفردًا، ويفتح تحليل الحساسية وسلوك التقارب الموثقان الباب أمام ضبط الخوارزمية وتكييفها مع فئات جديدة من المشكلات وفي مقدمتها المشكلات متعددة الأهداف والديناميكية التي تتغير بيئاتها عبر الزمن

وتتعزز مكانة الخوارزمية الهجينة بما وثقته الدراسة من تحليلات مصاحبة تجاوزت مجرد عرض النتائج النهائية، إذ أتاحت قياسات سلوك التقارب تتبّع سرعة الاقتراب من الحلول المثلى عبر الأجيال المتعاقبة، وأظهرت قياسات الاستكشاف والاستغلال أن التوازن بينهما يتحقق فعليًا عبر مراحل البحث لا افتراضًا نظريًا فحسب، فيما بيّن تحليل الحساسية مدى تأثر الأداء بتغير معاملات الخوارزمية بما يرشد المستخدمين إلى ضبطها في تطبيقاتهم الخاصة، كما أن مقارنتها بخوارزميات سبق أن فازت بمسابقات مجموعات القياس العالمية ومجاراتها لها أو تجاوزها في دوال صعبة عديدة من مجموعة عام 2017 تضع نتائجها في سياق تنافسي رفيع المستوى، وتجعل تفوقها في متوسط الترتيب عبر أربع مجموعات متعاقبة إنجازًا يصعب عزوه إلى خصوصية مجموعة قياس واحدة وتبقى قابلية توسيع الإطار نحو مشكلات متعددة الأهداف وبيئات متغيرة عبر الزمن اتجاهًا طبيعيًا لبحوث لاحقة تستثمر هذا الرصيد الموثق من الأداء والتحليلات المصاحبة له

وخلاصة القول إن الخوارزمية الهجينة المقترحة في هذه الدراسة دمجت بنجاح بين نزعة الكواتي الاستكشافية وقوة الطفرة والتهجين في التطور التفاضلي فحققت المرتبة الأولى في المتوسط عبر أربع مجموعات قياس عالمية وصدارة في غالبية دوالها مع دلالة إحصائية مؤكدة، وأثبتت جدواها في مشكلات تصميم واقعية مقيدة، وبذلك تقدّم إطار أمثلة كفؤًا وقابلًا للتعميم يثري أدوات الباحثين والممارسين في مواجهة مهام الأمثلة العامة المعقدة والمقيدة على تنوع مجالاتها