水泥是目前最常用的建筑材料之一,其物理性能会影响到建筑设施的安全。水泥的多种性能指标,如抗压强度、抗折强度、耐久性等都会直接受到水泥水化反应的影响。通过对水泥水化过程的建模仿真可以了解水泥水化过程的内在机理,从而辅助高质量水泥生产和设计。在对水泥水化过程建模的多种方法中,动力学建模是较为重要的一种手段;通过构建水化程度与时间之间的动力学方程来描述水泥水化过程,使整个过程更加简单明了易于理解。构建水泥水化的早期动力学方程,有着重要的科学价值与应用前景。材料学家们对水泥水化动力学的相关研究已经取得了大量的进展,但目前的水泥水化动力学研究还存在一些亟需解决的问题。由于水泥水化过程中大量的物理变化和化学反应使其复杂性较高,使得手动的推导水泥水化的动力学方程变得尤为困难。另外,材料学家在构建水泥水化动力学方程的过程中,为了降低研究的难度并简化动力学方程的推导过程,不得不忽略了水泥的某些特性。例如,假设水泥颗粒为球形、假定水化反应时粒子间没有相互作用等。有相关研究表明,进化计算可以从数据中萃取得到反应真实现象的自然法则或公式。Schmidt和Lipson发表在《Science》上的文章中指出可以在没有任何先验知识的情况下,利用进化算法从物理系统中的数据汲取到拉格朗日定理、哈密顿公式等定律。因此将进化计算这一技术应用到水泥水化动力学方程发现工作中是可行的。本文的研究主要利用进化算法针对水泥早期水化建立正确有效的动力学模型,为此本文所作的主要工作如下。(1)基于相似性权重锦标赛基因表达式编程算法的水泥水化动力学方程发现。首次将相似性权重锦标赛算子应用到水泥水化动力学建模工作中。实验结果显示了其有效的解决了传统基因表达式编程算法种群易早熟收敛、易陷入局部极值的问题。并验证了基因表达式编程算法在动力学发现工作中的有效性。(2)基于多基因相似性权重锦标赛基因表达式编程算法的水泥水化动力学方程发现。为解决单基因染色体难以拟合水泥水化过程的问题,提出多基因相似性权重锦标赛算子。实验结果显示了其有效的提高了动力学方程的拟合精度,并进一步验证了进化计算在动力学建模工作中的有效性。(3)GPU环境下水泥水化早期动力学方程的快速发现。提出一种基于多初始点的数值解计算策略,实现动力学方程的快速发现。在较大规模的数据和模型的情况下,高时间复杂度是进化计算的一个不可避免的问题,这个问题在水泥动力学建模工作中尤为突出。为了减小数值解计算过程中对单个初始点的依赖性,本项工作提出一种基于多初始点的数值解计算策略;同时设计了初始点的选择机制,解决了数值解求解时的高时间复杂度问题。本工作将基因表达式编程算法与粒子群优化算法结合,在GPU环境下实现了水泥水化动力学方程的快速发现。另外,针对进化计算本身存在的小种群容易早熟收敛的问题,使用多基因相似性权重锦标赛算子提升种群的多样性,避免了小种群的早熟问题。