1、元启发式优化算法在土木工程中的应用与实践

元启发式优化算法在土木工程中的应用与实践

1. 工程设计与优化

从考古记录来看，三万多年前现代人类（智人）就开启了技术发展的进程，像骨锥、带眼针、取火钻、保暖庇护所和投矛器等遗迹就是证明。当古人制造投矛器这类早期技术创新物品时，或许就在直觉上思考如何让投矛器以更小的能量赋予长矛更大的速度。所以，追求以最少的负面因素实现最理想特性的工程设计并非新鲜事物。尽管工程实践自古就有，但“工程师”这个词的出现还不到700年。

工业革命是工程定义的关键转折点，它基于牛顿力学和数学。在那个时代，土木工程和机械工程等主要工程分支得以确立。起初，土木工程师负责建筑物、桥梁、灯塔、运河和港口的设计与建造。而在当代，土木工程师承担了众多职责和跨学科专业任务，涵盖从结构工程、地震工程、海岸与海洋工程到施工管理、交通和环境工程等多个领域。

随着工程科学的发展和机械化生产的推进，建造结构和消耗资源变得比以往更快。在经历了数十年的商品和燃料低价期后，由于全球人口增长和对建筑的空前需求，不可再生资源的开采量急剧增加。如今，资源枯竭已成为严重问题，可预见未来建筑用矿物的价格可能会大幅上涨。除了经济层面，这一问题还会通过产生危险废物和空气排放对环境造成负面影响，从长远来看，会降低下一代的生活质量。

为应对环境和经济方面的严峻挑战，新政策应注重可持续性和资源效率。创新设计和高效生产等技术变革是解决这一难题的有效途径。具体而言，工程师采用的设计和生产方案应从传统方法转向优化方法，以减少资源消耗。

近年来，针对不同类型的问题，开发了各种现代和经典的优化方法。经典方法如线性规划，利用微分计算和数学来寻找最优解。虽然这些技术能为某些特定条件下的问题提供精确的最优解，但对于许多大型和实际问