ISIGHT工程优化案例分析
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●可靠性分析和优化
●（动态、静态）稳健设计
1.1.2
对于大多数设计软件，算法开始执行后需要等待算法程序结束后用户才可以查看计算结果数据，用户面对的好像一个“黑匣子”，缺乏可视化的方法来实时监控设计过程的运行状态。而iSIGHT软件不但提供了多种程序结束后分析查看数据的方法，还做到了实时监控运行过程，主要体现在以下几个方面：
iSIGHT在缩短产品设计周期、降低产品成本、提高产品质量等方面，每天都在取得令人瞩目的突破。据美国权威市场调查公司Daratech统计，iSIGHT在过程集成和设计优化领域的全球市场占有率超过一半，已成为航空、航天、汽车、兵器、船舶、电子、动力、机械、教育研究等领域首选的过程集成、设计优化和可靠性稳健设计的综合解决方案。
当意识到工业界对iSIGHT设计开发环境的普遍认同和巨大需求后，1994年Siu S.Tong成立Engious公司开始将iSIGHT软件商业化。目标是为大量使用计算机仿真模型的工业界提供先进工程设计和管理软件，并同时提供相关服务。1995年iSIGHT第一个商业版本发布。该版本拓展了早期iSIGHT软件的许多功能。1996年和1997年iSIGHT新版本相继发布，在集成各类仿真软件的灵活性和易用性方面获得极大提高。经过最初三个版本的发布，iSIGHT软件商业化达到了很高程度，这意味着更好的用户界面、更强的可用性、更直观的求解监视、以及对多学科综合设计更有力的支持。2004年初，Engineous收购了Synaps， 一家地处亚特兰大的基于过程集成和设计优化（PIDO）的软件供应商。这次收购行为提供了一个非常好的契机，Engineous将Synaps产品的先进技术融合到iSIGHT软件当中。2004年秋，iSIGHT 9.0发布，除了从Synaps产品中提取出的几个特别著名的功能外(如，Pointer优化器，仿真云图，自动生成EXCEL格式报表等)，最新版本中包含的最主要的先进技术还有：selectable termsforresponse surface methods,径向基函数（RBF）神经网络近似模型，动态稳健设计方法。
多年来，国外已在该领域做了许多著有成效的研究工作，并开始了多学科优化设计方面的研究。就国外的研究现状而言，目前已经实现了部分学科的综合优化设计，并开发出了如iSIGHT、Optimus等多学科商业优化软件。
iSIGHT是一个通过软件协同驱动产品设计优化的多学科优化平台，它可以将数字技术、推理技术和设计搜索技术有效融合，并把大量需要人工完成的工作由软件实现自动化处理。iSIGHT软件可以集成仿真代码并提供智能设计支持，对多个设计方案进行评估和研究，从而大大缩短了产品的设计周期，显著地提高了产品质量和可靠性。
总的来说，iSIGHT软件有集成自动化、结果数据综合分析以及网络运算三大优势。
1.1.1
一个典型的工程需要不断进行“设计－评估－改进”的循环。CAD/CAE的引入提高了这一过程的效率。CAD加快了造型、装配、出图的设计过程，而CAE则减少了大量的试验，提供了有效的分析和评估工具。但是在这种设计过程中，80%的工作量是没有创造性的重复性工作，中间环节繁杂易错。iSIGHT通过一种搭积木的方式快速继承和耦合各种仿真软件，将所有设计流程组织到一个统一、有机和逻辑的框架中，自动运行仿真软件，并自动重启设计流程，从而消除了传统设计流程中的“瓶颈”，使整个设计流程实现全数字化和全自动化。
●径向基数函数神经网络模型（RBF）
●面向西格玛的可靠性、稳健性设计（DFSS）
图1.1.1iSIGHT优化设计结构框图
4．质量工程
考虑设计中的不确定性因素，寻找成功概率高并且对非确定因素不敏感的设计方案，从而保证了设计的稳健性和可靠性。iSIGHT的质量工程分析主要包括如下几个方面：
●蒙特卡罗模型
本书在编写的过程中，从互联网上引用了部分资料，在此对原作者表示衷心地感谢！
我要真诚地感谢大连交通大学（原大连铁道学院）和王生武教授，是他们给了我学习、接触和使用iSIGHT软件机会！
仅以本书献给所有关心我的人！
赵怀瑞
2007年08月于西南交通大学
第一章 认识
1.1
iSIGHT是美国Engineous公司出品的过程集成、优化设计和稳健性设计的软件，可以将数字技术、推理技术和设计探索技术有效融合，并把大量的需要人工完成的工作由软件实现自动化处理，在多学科优化类软件中市场知名度和占有率均居第一位，占有55％的市场份额。iSIGHT软件可以集成仿真代码并提供设计智能支持，从而对多个设计可选方案进行评估，研究，大大缩短了产品的设计周期，显著提高。
1. 在设计分析过程中，提供了以图或表的形式直观、实时地展现优化计算过程的探索状况。
2.从各个角度把握进程结束后的设计参数和目标函数的变化及相关关系，使问题的特性明确化。
3. 高级数据分析技术可以对响应面模型以三维和散布图显示。
4.EDM（Engineering Data Mining）提供了对多目标设计问题提供专门的后处理能力，以便有效地查看Pareto数据，使复杂数据的分析工作变得更加简单。
1．优化设计
优化的目的是通过设计搜索，寻找满足约束条件和目标函数的最佳设计方案。iSIGHT提供了多种优化算法，主要有如下几种：
●数值方法
●全局探索法
●启发式搜索
●多目标多准则优化算法
2、试验设计
在进行设计的时候，对于设计目标影响的因素有时候比较多，可是由于计算资源或时间的因素不可能考虑所有的因素，所以iSIGHT提供了试验设计功能。通过试验设计分析，发现对目标函数影响较大的关键参数，而对于那些影响轻微的参数在后续的设计就可以忽略，在资源有限的情况下提高了计算效率，又保证结果的可靠性。iSIGHT软件中常用的试验设计有：
1.2.2
传统的设计通常是采用试算法,即在设计时根据要求,参考一些同类产品设计的成功经验,凭借一定的理论判断来选定设计参数,然后进行校核计算,检验其是否符合要求,不满意则调整设计参数再校核,如此反复多次直到满足设计要求为止。传统的算法已经不能满足高效、优质的设计生产任务要求,需要一种新的方法来适应现代化的高速发展。
一个典型的集成过程主要包括以下四个步骤：
软件集成（集成一个或多个仿真软件）
问题定义（定义设计变量、约束和目标函数，也称建模）
设计自动化（选择优化设计方案）
数据分析和可视化（实时监控设计分析过程）
对于优化设计的研究不断证实，没有任何单一的优化技术可以适用于所有设计问题。iSIGHT就此问题提供了两种解决方案：其一，iSIGHT提供完备优化工具集，用户可交互式选用并可针对特定问题进行定制；其二，iSIGHT提供一种多学科优化操作，以便把所有的优化算法有机组合起来，解决复杂的优化设计问题。iSIGHT包含的设计方法可以分为优化设计、试验设计、逼近计算和质量工程四大类，如图1.1.1所示。
基于上述数值分析软件的结构和工作过程，在进行数值分析的时候，可以通过修改模拟计算模块的输入文件来完成模型的修改，iSIGHT正是基于这种原理工作的。iSIGHT通过一种搭积木的方式快速集成和耦合各种仿真软件，将所有设计流程组织到一个统一、有机和逻辑的框架中，自动运行仿真软件，并自动重启设计流程，从而消除了传统设计流程中的“瓶颈”，使整个设计流程实现全数字化和全自动化。
模拟计算阶段使用ABAQUS/Stand或ABAQUS/Eplici求解输入文件中所定义的数值模型。它通常以后台的方式运行，输出数据被保存在二进制文件中（job.odb，job.dat等）以便于后处理。
3.后处理（ABAQUS//CAE）
完成了模拟计算后，用户就可以在ABAQUS//CAE的可视化模块或其他后处理软件的图形环境下读入计算结果数据，对计算结果进行评估。可视化模块可以将读入的结果文件以多种方式显示，包括彩色等值线图、变形图、动画等。
iSIGHT工程优化实例分析
前言
随着设备向大型化、高速化等方向的发展，我们的工业设备（如高速列出、战斗机等）的复杂程度已远超乎平常人的想象，装备设计不单要用到大量的人力，甚至已牵涉到了数十门学科。例如，高速车辆设计就涉及通信、控制、计算机、电子、电气、液压、多体动力学、空气动力学、结构力学、接触力学、疲劳、可靠性、维修性、保障性、安全性、测试性等若干学科。随着时代的进步，如今每个学科领域都形成了自己特有研究方法与发展思路，因此在设计中如何增加各学科间的沟通与联系，形成一个统一各学科的综合设计方法（或平台），成为工程和学术界所关注的重点。
3．网络发布
2003年iSIGHT v7.1发布，新增功能允许iSIGHT创建的应用程序通过网络被发布，并被远程用户共享。iSIGHT-Net允许iSIGHT应用程序发布到网络服务器，客户端即使未完全安装iSIGHT也可通过一个简单易用的界面进行远程访问和执行，从而将预制的iSIGHT应用程序有效地散发给工作组成员。
1.前处理
在前处理阶段，需要定义物理问题的模型，并生成一个ABAQUS输入文件（job.inp）。通常的做法是使用ABAQUS//CAE或其他前处理程序，以图形方式生成模型；但对于一个简单的分析，可以直接用文本编辑器生成ABAQUS输入文件。
2.模拟计算（ABAQUS/Stand或ABAQUS/Eplici）
2．并行处理
设计开发过程的代价有时可能会因仿真软件的时间开销而变得非常高昂。然而在许多系统中，仿真软件可以相互独立地执行，并且在许多设计开发技术中，大量设计点可以同时进行分析。因此，如果计算机资源足够，并且具备同时协调多个仿真软件或设计点运行的能力，就可以节省大量的时间开销。iSIGHT支持两种类型的并行处理模式：任务并行模式和算法并行模式。
1.1.3网络功能
iSIGHT网络功能主要包括分布式处理、并行处理及网络发布三种。
1．分布式处理
iSIGHT分布处理是指在多台可能具有完全不同的系统的计算机上运行设计开发作业组件的能力。iSIGHT提供一个方便的图形用户界面，用户可通过该界面总揽当前网络环境，并根据计算机类型或工作组特性进行任务分派。
目前市面上还没有关于iSIGHT的指导书籍，而查阅软件自带的英文帮助文档，对许多国内用户而言尚有一定的难度。基于以上现状，作者根据利用iSIGHT做工程项目的经验编写了这本《iSIGHT工程优化实例》。本书分为优化基础、工程实例和答疑解惑三个部分，其中工程实例中给出了涉及铁路、航空方面多个工程案例，以真实的工程背景使作者在最短的时间内掌握这款优化的软件。
iSIGHT软件由Siu S.Tong博士首创，做为Engineous公司创始人和董事长他于1979-1983年在MIT攻读博士期间，首次提出了“软件机器人”概念。1982年Tong博士加入通用电气公司进一步实现这个构想。他组织并领导一个小组，致力于开发第一代“软件机器人”技术，并获得通用电气和美国政府1200万美元投资。经过十余年时间发展，“软件机器人”工程化、实用化不断加强。
●正交试验
●中心复合ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ验
●数据文件
●全因子/单因子组合实验
●超拉丁方抽样实验
●优化的超拉丁方抽样实验
3、近似模拟
近似模型就是用近似模型代替原来运行时间较长的分析模型，以快速获得解答。iSIGHT所提供的近似模型与方法主要有如下几种：
●高阶响应面模型
●泰勒级数近似法
●变复杂度模型
●Kriging近似模型
1.2.1 常用数值分析软件的结构
任何一个与数学有关的工程问题的解决过程，总可以分为数学建模、求解与结果分析三个过程。而相应的用来进行数值分析计算的各种软件按其功能也都可以划分为三个模块即前处理模块（建立分析模型）、模拟计算与后处理模块，每个模块之间通过数据文件进行连接。比如，有限元分析软件ABAQUS/Stand或ABAQUS/Eplicit的一个完整的分析过程，通常由三个明确的步骤组成：前处理、求解计算和后处理。这三个步骤通过文件之间建立的联系如下：
在实际操作中，按照指定的优化算法iSIGHT对所集成软件的输入文件进行修改，在调用软件进行求解计算后读取目标函数的值，然后判别目标函数值是否达到最优，如果最优则优化结束，否则对输入文件再次进行修改计算，如此循环直至取得理想的目标函数值。其典型过程如图1.2.1所示。
●（动态、静态）稳健设计
1.1.2
对于大多数设计软件，算法开始执行后需要等待算法程序结束后用户才可以查看计算结果数据，用户面对的好像一个“黑匣子”，缺乏可视化的方法来实时监控设计过程的运行状态。而iSIGHT软件不但提供了多种程序结束后分析查看数据的方法，还做到了实时监控运行过程，主要体现在以下几个方面：
iSIGHT在缩短产品设计周期、降低产品成本、提高产品质量等方面，每天都在取得令人瞩目的突破。据美国权威市场调查公司Daratech统计，iSIGHT在过程集成和设计优化领域的全球市场占有率超过一半，已成为航空、航天、汽车、兵器、船舶、电子、动力、机械、教育研究等领域首选的过程集成、设计优化和可靠性稳健设计的综合解决方案。
当意识到工业界对iSIGHT设计开发环境的普遍认同和巨大需求后，1994年Siu S.Tong成立Engious公司开始将iSIGHT软件商业化。目标是为大量使用计算机仿真模型的工业界提供先进工程设计和管理软件，并同时提供相关服务。1995年iSIGHT第一个商业版本发布。该版本拓展了早期iSIGHT软件的许多功能。1996年和1997年iSIGHT新版本相继发布，在集成各类仿真软件的灵活性和易用性方面获得极大提高。经过最初三个版本的发布，iSIGHT软件商业化达到了很高程度，这意味着更好的用户界面、更强的可用性、更直观的求解监视、以及对多学科综合设计更有力的支持。2004年初，Engineous收购了Synaps， 一家地处亚特兰大的基于过程集成和设计优化（PIDO）的软件供应商。这次收购行为提供了一个非常好的契机，Engineous将Synaps产品的先进技术融合到iSIGHT软件当中。2004年秋，iSIGHT 9.0发布，除了从Synaps产品中提取出的几个特别著名的功能外(如，Pointer优化器，仿真云图，自动生成EXCEL格式报表等)，最新版本中包含的最主要的先进技术还有：selectable termsforresponse surface methods,径向基函数（RBF）神经网络近似模型，动态稳健设计方法。
多年来，国外已在该领域做了许多著有成效的研究工作，并开始了多学科优化设计方面的研究。就国外的研究现状而言，目前已经实现了部分学科的综合优化设计，并开发出了如iSIGHT、Optimus等多学科商业优化软件。
iSIGHT是一个通过软件协同驱动产品设计优化的多学科优化平台，它可以将数字技术、推理技术和设计搜索技术有效融合，并把大量需要人工完成的工作由软件实现自动化处理。iSIGHT软件可以集成仿真代码并提供智能设计支持，对多个设计方案进行评估和研究，从而大大缩短了产品的设计周期，显著地提高了产品质量和可靠性。
总的来说，iSIGHT软件有集成自动化、结果数据综合分析以及网络运算三大优势。
1.1.1
一个典型的工程需要不断进行“设计－评估－改进”的循环。CAD/CAE的引入提高了这一过程的效率。CAD加快了造型、装配、出图的设计过程，而CAE则减少了大量的试验，提供了有效的分析和评估工具。但是在这种设计过程中，80%的工作量是没有创造性的重复性工作，中间环节繁杂易错。iSIGHT通过一种搭积木的方式快速继承和耦合各种仿真软件，将所有设计流程组织到一个统一、有机和逻辑的框架中，自动运行仿真软件，并自动重启设计流程，从而消除了传统设计流程中的“瓶颈”，使整个设计流程实现全数字化和全自动化。
●径向基数函数神经网络模型（RBF）
●面向西格玛的可靠性、稳健性设计（DFSS）
图1.1.1iSIGHT优化设计结构框图
4．质量工程
考虑设计中的不确定性因素，寻找成功概率高并且对非确定因素不敏感的设计方案，从而保证了设计的稳健性和可靠性。iSIGHT的质量工程分析主要包括如下几个方面：
●蒙特卡罗模型
本书在编写的过程中，从互联网上引用了部分资料，在此对原作者表示衷心地感谢！
我要真诚地感谢大连交通大学（原大连铁道学院）和王生武教授，是他们给了我学习、接触和使用iSIGHT软件机会！
仅以本书献给所有关心我的人！
赵怀瑞
2007年08月于西南交通大学
第一章 认识
1.1
iSIGHT是美国Engineous公司出品的过程集成、优化设计和稳健性设计的软件，可以将数字技术、推理技术和设计探索技术有效融合，并把大量的需要人工完成的工作由软件实现自动化处理，在多学科优化类软件中市场知名度和占有率均居第一位，占有55％的市场份额。iSIGHT软件可以集成仿真代码并提供设计智能支持，从而对多个设计可选方案进行评估，研究，大大缩短了产品的设计周期，显著提高。
1. 在设计分析过程中，提供了以图或表的形式直观、实时地展现优化计算过程的探索状况。
2.从各个角度把握进程结束后的设计参数和目标函数的变化及相关关系，使问题的特性明确化。
3. 高级数据分析技术可以对响应面模型以三维和散布图显示。
4.EDM（Engineering Data Mining）提供了对多目标设计问题提供专门的后处理能力，以便有效地查看Pareto数据，使复杂数据的分析工作变得更加简单。
1．优化设计
优化的目的是通过设计搜索，寻找满足约束条件和目标函数的最佳设计方案。iSIGHT提供了多种优化算法，主要有如下几种：
●数值方法
●全局探索法
●启发式搜索
●多目标多准则优化算法
2、试验设计
在进行设计的时候，对于设计目标影响的因素有时候比较多，可是由于计算资源或时间的因素不可能考虑所有的因素，所以iSIGHT提供了试验设计功能。通过试验设计分析，发现对目标函数影响较大的关键参数，而对于那些影响轻微的参数在后续的设计就可以忽略，在资源有限的情况下提高了计算效率，又保证结果的可靠性。iSIGHT软件中常用的试验设计有：
1.2.2
传统的设计通常是采用试算法,即在设计时根据要求,参考一些同类产品设计的成功经验,凭借一定的理论判断来选定设计参数,然后进行校核计算,检验其是否符合要求,不满意则调整设计参数再校核,如此反复多次直到满足设计要求为止。传统的算法已经不能满足高效、优质的设计生产任务要求,需要一种新的方法来适应现代化的高速发展。
一个典型的集成过程主要包括以下四个步骤：
软件集成（集成一个或多个仿真软件）
问题定义（定义设计变量、约束和目标函数，也称建模）
设计自动化（选择优化设计方案）
数据分析和可视化（实时监控设计分析过程）
对于优化设计的研究不断证实，没有任何单一的优化技术可以适用于所有设计问题。iSIGHT就此问题提供了两种解决方案：其一，iSIGHT提供完备优化工具集，用户可交互式选用并可针对特定问题进行定制；其二，iSIGHT提供一种多学科优化操作，以便把所有的优化算法有机组合起来，解决复杂的优化设计问题。iSIGHT包含的设计方法可以分为优化设计、试验设计、逼近计算和质量工程四大类，如图1.1.1所示。
基于上述数值分析软件的结构和工作过程，在进行数值分析的时候，可以通过修改模拟计算模块的输入文件来完成模型的修改，iSIGHT正是基于这种原理工作的。iSIGHT通过一种搭积木的方式快速集成和耦合各种仿真软件，将所有设计流程组织到一个统一、有机和逻辑的框架中，自动运行仿真软件，并自动重启设计流程，从而消除了传统设计流程中的“瓶颈”，使整个设计流程实现全数字化和全自动化。
模拟计算阶段使用ABAQUS/Stand或ABAQUS/Eplici求解输入文件中所定义的数值模型。它通常以后台的方式运行，输出数据被保存在二进制文件中（job.odb，job.dat等）以便于后处理。
3.后处理（ABAQUS//CAE）
完成了模拟计算后，用户就可以在ABAQUS//CAE的可视化模块或其他后处理软件的图形环境下读入计算结果数据，对计算结果进行评估。可视化模块可以将读入的结果文件以多种方式显示，包括彩色等值线图、变形图、动画等。
iSIGHT工程优化实例分析
前言
随着设备向大型化、高速化等方向的发展，我们的工业设备（如高速列出、战斗机等）的复杂程度已远超乎平常人的想象，装备设计不单要用到大量的人力，甚至已牵涉到了数十门学科。例如，高速车辆设计就涉及通信、控制、计算机、电子、电气、液压、多体动力学、空气动力学、结构力学、接触力学、疲劳、可靠性、维修性、保障性、安全性、测试性等若干学科。随着时代的进步，如今每个学科领域都形成了自己特有研究方法与发展思路，因此在设计中如何增加各学科间的沟通与联系，形成一个统一各学科的综合设计方法（或平台），成为工程和学术界所关注的重点。
3．网络发布
2003年iSIGHT v7.1发布，新增功能允许iSIGHT创建的应用程序通过网络被发布，并被远程用户共享。iSIGHT-Net允许iSIGHT应用程序发布到网络服务器，客户端即使未完全安装iSIGHT也可通过一个简单易用的界面进行远程访问和执行，从而将预制的iSIGHT应用程序有效地散发给工作组成员。
1.前处理
在前处理阶段，需要定义物理问题的模型，并生成一个ABAQUS输入文件（job.inp）。通常的做法是使用ABAQUS//CAE或其他前处理程序，以图形方式生成模型；但对于一个简单的分析，可以直接用文本编辑器生成ABAQUS输入文件。
2.模拟计算（ABAQUS/Stand或ABAQUS/Eplici）
2．并行处理
设计开发过程的代价有时可能会因仿真软件的时间开销而变得非常高昂。然而在许多系统中，仿真软件可以相互独立地执行，并且在许多设计开发技术中，大量设计点可以同时进行分析。因此，如果计算机资源足够，并且具备同时协调多个仿真软件或设计点运行的能力，就可以节省大量的时间开销。iSIGHT支持两种类型的并行处理模式：任务并行模式和算法并行模式。
1.1.3网络功能
iSIGHT网络功能主要包括分布式处理、并行处理及网络发布三种。
1．分布式处理
iSIGHT分布处理是指在多台可能具有完全不同的系统的计算机上运行设计开发作业组件的能力。iSIGHT提供一个方便的图形用户界面，用户可通过该界面总揽当前网络环境，并根据计算机类型或工作组特性进行任务分派。
目前市面上还没有关于iSIGHT的指导书籍，而查阅软件自带的英文帮助文档，对许多国内用户而言尚有一定的难度。基于以上现状，作者根据利用iSIGHT做工程项目的经验编写了这本《iSIGHT工程优化实例》。本书分为优化基础、工程实例和答疑解惑三个部分，其中工程实例中给出了涉及铁路、航空方面多个工程案例，以真实的工程背景使作者在最短的时间内掌握这款优化的软件。
iSIGHT软件由Siu S.Tong博士首创，做为Engineous公司创始人和董事长他于1979-1983年在MIT攻读博士期间，首次提出了“软件机器人”概念。1982年Tong博士加入通用电气公司进一步实现这个构想。他组织并领导一个小组，致力于开发第一代“软件机器人”技术，并获得通用电气和美国政府1200万美元投资。经过十余年时间发展，“软件机器人”工程化、实用化不断加强。
●正交试验
●中心复合ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ验
●数据文件
●全因子/单因子组合实验
●超拉丁方抽样实验
●优化的超拉丁方抽样实验
3、近似模拟
近似模型就是用近似模型代替原来运行时间较长的分析模型，以快速获得解答。iSIGHT所提供的近似模型与方法主要有如下几种：
●高阶响应面模型
●泰勒级数近似法
●变复杂度模型
●Kriging近似模型
1.2.1 常用数值分析软件的结构
任何一个与数学有关的工程问题的解决过程，总可以分为数学建模、求解与结果分析三个过程。而相应的用来进行数值分析计算的各种软件按其功能也都可以划分为三个模块即前处理模块（建立分析模型）、模拟计算与后处理模块，每个模块之间通过数据文件进行连接。比如，有限元分析软件ABAQUS/Stand或ABAQUS/Eplicit的一个完整的分析过程，通常由三个明确的步骤组成：前处理、求解计算和后处理。这三个步骤通过文件之间建立的联系如下：
在实际操作中，按照指定的优化算法iSIGHT对所集成软件的输入文件进行修改，在调用软件进行求解计算后读取目标函数的值，然后判别目标函数值是否达到最优，如果最优则优化结束，否则对输入文件再次进行修改计算，如此循环直至取得理想的目标函数值。其典型过程如图1.2.1所示。