本申请涉及基于局部高斯过程拟合的序贯设计方法、装置和设备，方法包括：获取对应用系统进行的上一次迭代试验获得的水平集估计，从中选取超立方体并选取当前次迭代的输入样本；通过试验方式获取当前次迭代的采样样本集；根据采样样本集基于局部高斯过程拟合获得近似模型；将超立方体等分分割为多个子立方体，根据近似模型确定所有满足误差容许条件的估计集元素；利用估计集元素更新水平集估计，将上一次迭代的采样样本集与当前次迭代的采样样本集合并为更新后的采样样本集；若更新后的水平集估计满足设定的迭代终止条件，则输出更新后的水平集估计和估计精度以及更新后的采样样本集的所有样本。大幅提高了系统的水平集估计与应用效率。