探索中构建设计空间：设计空间探索的认知视角

《Proceedings of the Design Society》：Structuring the design space while exploring it: a cognitive perspective on design space exploration

　　

设计空间探索（Design Space Exploration, DSE）支持在复杂、多目标问题中对替代方案进行比较。尽管人机交互和可视化分析技术取得了进展，但大多数框架仍假设设计空间是预定义的。本文回顾了DSE和设计认知文献，揭示了这一概念缺口，并通过扩展的DSE框架提出了设计空间的动态认知结构，将探索视为认知与表征之间的协同进化过程。

### 论文解读：设计空间探索的认知构建与动态框架

#### 研究背景与问题
设计空间探索（Design Space Exploration, DSE）作为工程设计的核心方法论，尤其在基于集合的设计框架中，通过系统采样和分析大型设计空间，帮助设计者在复杂、多目标情境下识别、评估和比较替代配置。随着技术的发展，DSE已从纯粹的计算优化框架演变为集成可视化、偏好建模和用户引导探索的交互系统。然而，当前大多数DSE方法均假设设计空间是预定义且稳定的，变量、约束和目标在探索前就已指定，设计者仅在此结构内操作，而非参与其构建。这种认知限制引发了一个核心问题：如果设计空间本身未被认知结构化，探索如何具有意义？

传统DSE框架存在显著局限：优化驱动模型将设计空间视为数学上完整的实体，设计过程线性且技术驱动；交互式范式（如“设计购物”范式）虽融入设计者偏好，但设计空间结构仍预先固定，设计者仅作为导航者而非构建者；视觉分析方法虽增强可解释性，却未涉及设计空间本身的认知构建或重构。因此，现有研究普遍将设计空间视为待探索的固定领域，而非逐步形成的建构物，忽略了设计空间在探索前的认知形成过程。

#### 研究内容与意义
本文旨在重新概念化DSE，将其视为设计者与设计空间之间的协同进化过程。研究提出，探索并非在固定环境中进行，而是通过构建、稳定和重构的持续过程发生。研究人员引入了“临时认知结构化”概念，将其作为DSE中的一个基础阶段，在此阶段中，设计者通过认知活动使最初模糊的设计空间变得可操作。基于此，本文构建了一个以认知为中心的扩展DSE框架，将DSE视为决策空间、性能空间和知识空间三个维度动态交互的过程，并通过一个社会技术能源系统设计的案例进行了阐释。

该研究发表于《Proceedings of the Design Society》，其重要意义在于突破了传统DSE将设计空间视为静态容器的局限，强调了设计者在探索中的主动构建角色，为开发更支持认知活动的DSE工具提供了理论依据，并促进了计算设计与认知设计研究的融合。

#### 主要技术方法
为开展研究，研究人员综合运用了文献综述与理论构建方法，系统回顾了经典DSE框架（如优化驱动模型、“设计购物”范式、视觉分析框架）的演变及其认知局限，揭示了设计空间被预设为已结构化的概念缺口。基于设计认知研究（如问题与解决方案空间的协同进化、外部表征的认知作用），提出了“临时认知结构化”这一核心概念。进而，通过构建扩展的DSE模型，将设计过程形式化为定义、临时结构化、探索、选择与巩固四个迭代阶段，并辅以一个源自实证研究（涉及光伏自消费系统设计）的案例进行说明，以展示框架中认知动力学的运作。

#### 研究结果
**2. 设计空间探索框架及其局限性**
本节回顾了经典DSE框架的演变，指出不同模型均隐含假设设计空间在探索前已完全形成且稳定。优化驱动模型将过程线性化，设计者仅在开始（定义空间）和结束（选择方案）时参与；“设计购物”范式允许设计者通过可视化界面探索预计算的空间并学习，但空间维度不可重构；视觉分析方法虽支持认知参与，仍未解决空间本身的认知结构化问题。综合表明，现有框架将设计空间视为预定义领域，设计者作为评估者或导航者，空间维度结构固定，探索被概念化为优化或偏好细化，而非空间的认知构成。

**3. 认知缺口：探索前构建设计空间**
本节论证了设计空间并非先验给定，而是通过框架化、抽象和解释等迭代行为认知构建的。设计认知研究（如Cross和Dorst的问题与解决方案空间协同进化、Visser的草图作为认知物）表明，知识发现仅在设计空间被心智结构化后才成为可能。当前DSE工具支持交互和细化，却很少支持空间最初被概念化的上游认知过程，导致设计者被视为探索者而非构建者，形成了方法论的盲点。

**4. 作为基础阶段的临时认知结构化**
本节明确了“临时认知结构化”的定义：它是DSE过程中的一个基础阶段，设计者在此阶段将最初模糊、不完整或不稳定的问题空间暂时稳定，使其足够结构化以支持推理、表征和探索。该阶段依赖于一系列相互交织的认知操作，包括变量选择与维度缩减、标准优先级排序、参数校准、模式识别、因果推理与重构以及在不确定性下的框架化。这些操作并非顺序进行，而是迭代和自适应的，它们不最终确定空间，而是为探索做好准备。

**5. 提案：以认知为中心的扩展DSE框架**
研究人员提出了一个概念性扩展的DSE范式，其核心是设计通过三个相互依赖的认知功能空间的交互运作：决策空间（可操纵变量和设计配置）、性能空间（系统响应）和知识空间（设计者内部心智表征）。这三个空间通过三个反射性认知循环动态链接：感知-行动循环、解释-理解循环以及结构化-重构循环。扩展DSE模型将过程描述为四个迭代阶段：定义阶段（形式化与概念框架化）、临时结构化阶段（校准与稳定）、探索阶段（导航与学习）以及选择与巩固阶段（评估与论证）。该模型揭示了设计空间并非静态容器，而是不断演化的认知建构。

**6. 案例说明：设计社会技术能源系统**
通过一个源自光伏自消费系统设计的案例，阐释了所提框架的动力学。案例显示，设计团队最初采用以技术性能参数为中心的设计空间，但在用户反馈揭示社会接受度问题后，进行了认知重构：重新定义目标（加入“社区契合度”等定性目标）、引入新变量（如参与水平、治理模式）并依据新标准聚类配置。这一过程体现了临时认知结构化，设计团队通过迭代学习循环，共同构建了一个整合技术、经济和社会维度的混合设计空间，使其既符合情境又可导航。

#### 讨论与结论
**讨论部分**指出，本文提出的概念延伸挑战了将设计空间视为预定义和静态的观点，将认知定位为使探索成为可能的机制。临时认知结构化的概念并未重述协同进化理论，而是形式化了在DSE环境中使设计空间可操作的认知机制。扩展DSE模型桥接了计算设计和认知设计研究，将设计空间定义为通过感知、解释和重构塑造的动态认知结构。

**研究结论**表明，从实践角度看，这一视角意味着DSE工具应支持早期结构化和重构，而不仅仅是可视化和选择。此外，对设计者进行元认知框架化（即监控和适应其认知策略的能力）的培训，对于发展探索专业知识至关重要。尽管本研究提出了一个连贯的理论细化框架，但扩展DSE模型主要是概念性的，其验证需要实证研究来捕捉设计者在真实环境中如何认知地结构和重构其设计空间。第二个局限涉及认知机制的操作化，尽管已识别出抽象、校准和重构等关键过程，但它们与数字界面和数据可视化的交互仍未得到充分探索。开发用于认知结构化的度量标准，并采用行为和过程分析方法，将有可能实时追踪认知如何驱动设计空间的演化。

总之，本研究通过强调设计空间的动态认知构建，为深化设计空间探索的理论与实践提供了新的视角和方向。