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2012年7月27日 星期五

訊息、資訊與意涵:一個建築設計的觀點 Notes on the Mathematical Theory of communication

Claude Shannon 和 Warren Weaver在1949年出版的小冊 The Mathematical Theory of Communication包含了兩篇文章。第一篇"Some recent contributions to the mathematical theory of communication"是由Weaver主筆,但內容以Shannon的溝通理論為中心的文章給我很多啟示,對我個人先前許多模糊甚至錯誤的論點做了許多澄清。文中所採用的資訊也與意涵(meaning)做了明顯的區隔。這是我個人,也包括很多其他人都犯的一個錯誤,或許不能算是錯誤,因為語言本來就是約定成俗。只不過看了Shannon對資訊和意涵的區隔之後,深深認同這樣的定義方式更能幫助我們深入的討論,可以做為探討溝通現象的基本概念。雖然該論文還有很多地方是我未能透徹了解的,但是已經感覺到Claude Shannon的數學模型實在可以作為討論包涵設計溝通在內的許多溝通現象的基本理論,礙於數學能力不足而無法真正深入,非常可惜。

Shannon與Weaver文中為資訊(information)做了明確的定義,是指所揭示訊息(message)之內容的非預期程度(uncertainty)。以由一連串的符號所構成的訊息為例,前後符號間相關性越高則訊息內容之非預期程度越低,該訊息所揭示的資訊量也就越低。其計量方式依據Shannon的模型可以用馬可夫鍊為基礎所建立的公式計算。依據Weaver的看法,通訊可以分為三個層次,就是技術(technical)、語意(semantic)以及效用(effectiveness)。Shannon的數學模型雖然僅涉及技術層級,但只要增加轉換器(Transmitter)就可以延伸至更高的層級。例如以一個把語意轉換成訊息的轉換器,與一個把訊息轉換為語意的反向轉換器分別接在原先模型的兩端就可以把系統從技術層級延伸到語意層級。而兩個轉換器接在一起,將之合併視為一個轉換器似乎並無不妥。就模型的結構來講,三個層級的區分其實並沒有真正的必要性。

以下是我個人的延伸推論。資訊的衡量在不同的溝通層級中會有不同的標準,其差異主要來自所有可能的溝通內容之母集合。就技術層級而言,這個母集合就是所有可能產生之訊息的集合;就語意層級而言,這個母集合就是所關切之語意區劃的集合;就效用層級而言,這個母集合就是所關切之效用區劃的集合。母集合不同,以Shannon的模型而言,當然其所傳輸的資訊也不會相同。

例如我們以某種溝通管道傳輸六個代表樂透號碼的數字。就技術層級而言,其所傳輸的資訊量與這六個號碼之間的相關性有關,例如相同號碼不會重複出現。但如果我們從語意層次來看這個溝通訊息,可以合理的假設我們所關心的意涵是這組號碼會或者不會中獎,也就是說語意層級的母集合只有會中獎與不會中獎兩個元素。此時所傳輸這六個號碼內含的資訊量就與其是否為中獎號碼密切相關。如果收到一組預期不會中獎的號碼,那麼其所傳輸的訊息並不太出乎預期,因為任何一組號碼中獎的機率本來就近於零。但如果訊息揭露的是一組會中獎的號碼,那麼其語意內含的資訊就很高,因為如果沒有這筆訊息,我們自己幾乎不可能可以預期到中獎的號碼。從語意的層級來看,同樣是六個數字所構成的訊息,其內涵的資訊量卻天差地遠。

以設計溝通而言,一張表現設計構想的圖面可以從技術層面分析其內涵資訊。圖面各部分之間的相關性應該是關鍵,例如線條是否大多為正交直線? 所描繪的造型是否具備對稱性? 一個正方形可以經由對一個線段施予四次旋轉轉換組合而成,而線段本身則可經由對一個點施予一定區間之平移轉換而得。由此看來,Michael Leyton的"A Generative theory theory of shape"所提出的理論指出一個設計圖面內涵資訊來自於對稱性的破壞,與Shannon的理論模型是可以相互呼應的。從技術層級來看的話,一張複雜,充滿非典型曲線造型的圖面比一張簡單、對稱和正交直線所構成的圖面具備更多的資訊,因為對讀圖者而言,其揭露的非預期性較高。語意層級的內涵資訊必須從設計內容之非預期程度來判斷,也就是說設計內容所代表之設計概念如果不出乎讀圖者的預期,那麼其內涵資訊就很貧乏,肯定不會是一張有趣的圖面。至於設計的好壞,或許就可以歸到效用層級,因為一個有趣、出乎預期的設計未必是個好設計,還要看所設計的內涵是否能在適當價值體系下獲得高度的評價。

談設計溝通可能要把重點放在Shannon 理論模型中的 transmitter以及receiver上面。Transmitter 所做的是encode的程序,而receiver做的就是decode。設計師試圖把語意轉換成訊息就是在進行encode,也就是把設計構想畫成圖面的這個階段,此時設計師扮演的角色就是transmitter。設計師繪製設計圖面時會使用專業繪圖語言,以精簡的方式表達其設計構想。在編碼過程,專業知識可以幫助其以適當的方式編製出精要的訊息作為溝通之用,相對的,在接收端也需要專業知識來對所接收到的訊息,也就是設計師所繪製的專業圖面進行解碼,才能夠反向的把設計師所欲表達的設計構想解讀出來。如此的訊息對非專業者而言,因為其不具備適當的專業知識,因此在編碼或解碼過程就會發生錯誤或缺漏,好比一個transmitter或者receiver無法正確的編碼或者解碼。下圖是利用shannon的模型加以修改成描述設計溝通的模型,兩者在本質上是一樣的。

設計溝通當牽涉到專業人員與不同專業或非專業人員之間溝通時就要注意這件事。因為receiver一端不具備適當的專業知識,因此專業人員在編碼過程中必須把足夠的意涵明確的轉換並整合到所發出的訊息當中。好比把原本用平立剖面表示的設計圖改用透視圖或者模型來表示。所付出的代價就是額外的資訊作業,而這部分的資訊作業對其設計構想的成形並沒有直接的幫助。
(revised 2013, 3, 13)

上圖表是一個設計流程中,從里程碑到里程碑之間的資訊作業與資訊量之間的關係。例如一個設計案的開始,從基地配置到基本設計完成之間,針對設計方案本身的資料(data, message)與資訊(information)隨著設計的進程而增加,但其關係並非縣性的正向關係。資料增加代表設計團隊投入的資源也同樣增加,但投入資源的增加卻未必代表描述設計的資訊量也以同樣的幅度增加。在一個階段的初始,設計往往偏重發散式 (divergence) 的思考,許多方案被提出,但只有一個會被選來繼續發展,因此資料的增加不代表資訊同樣增加。同時在初始階段設計溝通比較密集的在專業人員之間進行,雙方具備相同的專業知識,因此可以用精簡的專業訊息溝通,資料作業的負擔較小。確認發展的設計方案後,設計重點進入收斂階段(convergence),針對選定的方案進行細化,也因此設計案的內涵資訊量快速增加,同樣的資料作業負擔也很高,但因為用的是精簡的專業訊息,因此作業效率較高。等到設計進度大約到達預定里程碑時,進入表現階段(presentation)。此時需準備和非專業或是跨專業人員的溝通訊息以作為里程碑必須交付的項目。此時大量的工作投入將專業訊息轉變成為非專業訊息,例如根據平立剖面製作模型與透視圖,並且上材質燈光等等,就是為了讓非專業人員也能充分了解設計方案的內涵。此階段投入大量的資料處理工作,而對設計方案資訊卻沒有甚麼貢獻,甚至在這個階段所累積的大量資料,可能將成為後續階段資料處理作業的包袱。
(revised 2014, 1, 3)

2012年7月20日 星期五

設計合作隨想

最近讀一篇文章"Collaborative design: what is it?", 是由Thomas Kvan 發表於Automation in Construction 9 2000. 409–415.  文中介紹了先前研究者(P.W. Mattessich, B.R. Monsey, Collaboration: What Makes It Work, Amherst H. Wilder Foundation, St. Paul, MN, 1992.)對cooperation, cordination與collaboration的區分,其對三者的定義節錄如下:
  1. Cooperation is characterized by informal relationships that exist without a commonly defined mission, structure or effort. Information is shared as needed and authority is retained by each organization so there is virtually no risk. Resources are separate as are rewards.
  2. Coordination is characterized by more formal relationships and understanding of compatible missions. Some planning and division of roles are required, and communication channels are established. Authority still rests with the individual organization, but there is some increased risk to all participants. Resources are available to participants and rewards are mutually acknowledged.
  3. Collaboration connotes a more durable and pervasive relationship. Collaborations being . . . a.
    full commitment to a common mission . . . Authority is determined by the collaborative structure. Risk is much greater . . .
作者對三者的區分強調三件事,第一是互動關係,cooperation是靠informal relationship,而coordination和collaboration則相對的比較是formal relationship. 第二是決策權力,cooperation的決策權力分散於各參與者,而collaboration的決策權力乃是基於合作的架構。第三是資源與風險的分配,cooperation為參與者各自取得資源並承擔各自的風險,coordination與collaboration則強調資源共享,風險共同承擔的層次提升。

 
這三件事應該都可以歸納成資源取得與風險承擔的關係。

 
首先,所謂的formal與informal relationship其實決定於合作各方是基於那一種互信機制而成立的,例如朋友之間合作憑藉的是道德與人性,破壞合作的行為可能讓個人在朋友間的信任感降低;建築師與結構技師的合作則加上合約的法律責任,破壞合作的行為會受到法律懲處;事務所設計團隊則有雇用關係來確保合作關係,破壞合作的行為可能影響升遷或者受雇。換句話說,這三者的區隔可以用賽局中行為決策與回饋的關係來描述。

 
第二,決策權力是指資訊流動的模式,也就是在合作過程中,每個參與者決定怎麼採取、處理哪些資訊,送出哪些資訊的模式,事實上也就是賽局參與者各自的行為決策所表現的方式。例如建築師採納某項結構顧問所提的方案,其實就是決定從結構顧問取得哪些資訊,並對業主送出哪些資訊,結構顧問和業主也分別做出其資訊取得與輸出的決定。

 
第三就不用說明了,就是談資源取得與風險承擔的關係。

 
Kvan文中強調設計合作往往不需到collaboration的層級,更常見的是cooperation的形式。collaboration不必然是比較高級的合作形式,事實上過多的資訊交換與過少的資訊交換都是不好的合作形式。好的合作應該是憑藉者少量的資訊交換,卻能得到複雜的形式結構,所謂的複雜的形式結構可以用其結構所蘊藏的資訊量來表示。有些設計合作的研究者以合作成員資訊交換的形式數量來論斷合作的成效應該是不對的方式。資訊交換代表資源的耗損,應該是降低合作成效的因子,合作成果本身蘊含的資訊量才是提升合作成效的正面影響因素。當然必須有適當的資訊交換才能產出豐富的資訊,資訊交換、合作成果與合作成效三者關係就像成本、獲利與投資效益一樣。

 
設計合作的成果就是設計作品成型過程中各階段的資訊。設計作品所內涵資訊量會與解碼的機制有關,就像人體結構是在胚胎發育過程中個別細胞解讀基因所蘊藏資訊而形成。人體結構的複雜度遠遠超過人類DNA所蘊藏的資訊量所能描述的層次,代表胚胎發育過程中大量的資訊被投入,整合到人體結構之中。受精卵所發展出來的人體,再也不是區區DNA所能描述的了。以建築師與結構顧問的合作為例,其合作的成效是基於建築物生命周期後續階段中,包括未完成之設計階段,營造與使用,甚至更新拆除過程對設計的解讀所產出的資訊相關。一個恰當的結構系統對於建築物管線的設計、工程的進行以及建築外觀、安全、空間使用,建築物的更新維護與拆除回收都能反映出適當的平衡關係以達成最高的效益。而維持這種平衡關係就是最高資訊內涵的表現。自然界與人造物大多有趣而複雜的現象都是因為系統中達成某種平衡關係而產生的,例如飛機平穩的飛行,體操選手精采的翻滾動作,天上的雲在某個特定高度出現某種特定型態都是透過某種平衡關係而表現出來的,而這平衡關係背後代表豐富的資訊內涵。複雜系統未必繁複,飛機平穩的飛行看似單調無奇,其實內涵豐富的資訊;建築物簡單樸素的結構也可能是建築師與結構顧問成功合作產生的傑作。

 
Carnegie-Mellon University的教授Luis von Ahn(http://www.ted.com/speakers/luis_von_ahn.html)在TED有一個演講談到如何用網路促成大量人的合作 Massive scale online collaboration(http://www.ted.com/talks/lang/en/luis_von_ahn_massive_scale_online_collaboration.html)非常有趣,也值得我們參考。其公司利用CAPTCHA結合七億五千萬人的力量進行印刷書本的數位化工作。這是一個極端的例子,因為書本可以被拆解成個別的單字,數位化後再整合起來。建築設計與構築會困難很多,因為建築物各部份可能都是相關的。自然界的現象如白蟻築巢與胚胎發育告訴我們大量參與者的合作可以完成的任務,其複雜度遠遠超過書本的數位化。massive collaboration關鍵就是合作動機以及資訊交換,動機是越大越好,而資訊交換則是越少越好。每一個參與單元可以不必通盤了解全局,甚至不必了解絕大多數其他參與單元所做的事情,其關鍵之一是每個參與者在執行任務時會受到其執行環境的影響而有所變化。換句話說,就是每個單元會從環境中蒐集某些資訊,加以分析後決定其行為模式。

上圖是巴黎哥德式建築(Musée de Cluny)內部所呈現出來的結構,這個已經存在超過五百年的石造建築結構應該可以算是建築師和營造團隊成功的設計合作成果。如果是在二十一世紀蓋出類似的構造,也可以做為所謂數位建築的範例,展示如何以CAD和CAM的技術創造複雜曲線的建築構造。我們試著想像一下,在五百年前建築師與營造團隊如何進行協同作業? 有可能是依靠複雜詳盡的三維圖面來進行嗎? 他們必定是透過極為簡單但有效率的專業溝通語言進行協調,而其設計必須整合千百年來所累積下來的營造經驗才可能成功。這種專業溝通語言讓不同的匠師所製作的構造單元能夠準確的吻合,讓建築師對造型的理想與結構現實考驗能夠達到平衡。
讓我們問兩個問題,
  1. 形式設計與營造如何整合?
  2. 這樣的結構有沒有可能用大量合作的方式來設計並建造完成?