近年来,可视分析技术逐渐受到重视,成为了教育科研、政府决策、生物医学及商业智能等诸多领域中不可或缺的重要决策手段。可视分析通过交互式可视化界面促进用户的分析推理能力。然而,当前数据量的快速增长、数据类型的多样异构以及问题的日益繁复,使得可视分析行为变得愈加复杂。与此同时,可视分析行为中人类与可视化界面的交互已经远远超出简单认知和感知的范畴,涉及到多种更为复杂的认知活动,如意义构建、分析推理和问题求解等。复杂认知活动相对于简单认知活动包含了更复杂的心理过程及条件,并涉及到人类自主及目标导向的信息处理过程。尽管研究人员已经提出可视化可以支持、增强或扩大认知,同时与可视化相关的认知研究对可视化设计有一定的指导意义,然而当前可视领域内对认知的研究还主要集中于简单认知和感知方面。如何设计可视分析系统才能更有效地支持这些复杂认知活动,其他领域中现有的复杂认知理论对可视分析行为的研究有何指导意义,如何从复杂认知理论的视角来看待可视分析系统的设计和评估问题,这些都成为了目前可视化领域尚存的巨大挑战。为了应对上述挑战,本文将认知心理学中的复杂认知理论引入到可视化领域来研究可视分析行为,提出了复杂认知理论视角的可视分析系统设计框架,并在这该框架的指导下通过研究问题求解理论、可视分析行为及可视分析系统三者之间的关系,提出了一个基于问题求解理论的可视分析系统设计模型（简称VASD-PS模型）。VASD-PS模型不仅进一步丰富了可视化领域的理论体系,而且对可视分析系统的设计和评估都有一定的指导意义。具体来说,本文的主要研究工作包括以下四个方面:（1）梳理了可视化领域中现有的主要理论模型以及其他领域中与可视化相关的认知研究工作。现有的可视化理论模型以及认知研究工作都在一定程度上指导了可视分析系统的设计及评估,然而这些研究大部分只关注于可视分析行为的外部特征或简单认知。论文所提出的可视分析系统设计模型既完全兼容于这些现有的可视化理论模型,而且更进一步——从复杂认知理论的视角来研究可视分析行为及系统。（2）提出了复杂认知理论视角的可视分析系统设计框架。论文从理论分析和案例分析两方面研究了可视分析行为中所包含的复杂认知活动（意义构建、分析推理、问题求解）及认知偏差,并揭示了可视化对复杂认知活动的支持作用以及认知偏差对可视分析行为所产生的负面影响。基于上述研究本文提出了复杂认知视角的可视分析系统设计框架,并从可视化表征设计、交互设计以及认知偏差的避免等角度讨论了复杂认知理论对可视分析系统设计的指导作用。可视化表征设计方面,系统可以通过纵向划分显示用户执行复杂认知活动过程中的各个状态,并通过横向划分来支持不同层次及粒度下的数据处理和分析;交互设计方面,系统可以将高层次的复杂认知活动自顶向下进行逐层分解,将其分解为低层次的交互和事件;认知偏差的避免方面,系统可以通过控制用户选择信息的随机性等手段,进而最大程度上避免出现认知偏差。（3）提出了基于问题求解理论的可视分析设计模型。论文针对意义构建理论在解释可视分析行为以及指导可视分析系统设计方面的不足,指出了利用问题求解理论来研究可视分析行为,并探讨了问题求解理论对可视分析系统设计与评估的指导意义。通过这些研究,本论文提出一个基于问题求解理论的可视分析系统设计模型。在该模型的指导下研究人员可以将可视分析中的数据、算法、交互式可视化、知识等组件与问题求解理论中的初始状态、算子、目标状态等要素进行对应,来为可视分析行为进行建模。同时,该模型还有利于研究人员从问题表征和问题求解策略的全新视角来看待可视分析系统的设计和评估工作。（4）在问题求解理论的指导下,设计了动态关联规则可视分析系统。在问题求解理论的指导下,研究了动态关联规则与交互可视化两个算子之间的关系,设计了可视分析系统来帮助用户理解和使用动态关联规则。该系统针对用户在使用传统的工具求解问题的过程中所存在的困难,提出了新的问题求解方案。在VASD-PS模型的指导下,该系统通过合理的可视化设计不仅促进了用户对问题的表征,也促进了用户使用更为高效的求解策略。该系统在零售数据分析以及交通事故数据分析上的成功应用进一步验证了VASD-PS模型的有效性。