1.2　优化过程

典型的工程设计优化过程如图1.2所示[1]。设计者的作用是提供一个问题规范，规范中需要详细说明要实现的参数、常数、目标和约束。设计者负责确切表达问题并量化潜在设计的优点。他们通常还为优化算法提供基准设计或初始设计要点。

本书将讨论如何使设计细化以提供性能的过程自动化。优化算法用于逐步改进设计，直到无法再改进或者达到预计的计算时间或计算代价。设计者负责分析优化过程的结果，以确保其适用于最终应用。问题中的设定偏差、不良基准设计以及不正确实施或不合适的优化算法都可能导致次优或危险的设计。

在工程设计中引入优化方法有很多优点。首先，优化过程提供了系统化、逻辑化的设计过程。如果遵循得当，优化算法可以帮助减少设计中出现人为错误的可能性。有时工程设计中的直觉可能会产生误导，尊重于数据的优化则会好得多。优化可以加快设计过程，特别是当程序可以只编写一次就复用于其他问题时。传统的工程技术通常由人类在二维或三维中可视化和推理得到。然而，现代优化技术可以应用于具有数百万个变量和约束的问题。

使用优化设计也存在挑战。计算资源和时间通常都是有限的，因此算法必须在探索设计空间方面有所选择。从根本上说，优化算法受到设计者表达问题的能力的限制。在某些情况下，优化算法可能会导致建模错误或提供的方案不能充分解决预期问题。难以解释的是，有时算法产生的优化设计是明显违反直觉的。另一个局限性是许多优化算法并不能保证总是可以产生最佳设计。

[1] 关于工程设计过程的进一步讨论载于：

J. Arora，Introduction to Optimum Design，4th ed. Academic Press，2016.