1信息科学概论.docx

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1信息科学概论

第一章信息科学概论

·什么是信息科学？

·它的内容、体系、范围是什么？

·什么是信息科学的研究背景？

·它是怎样产生和发展起来的？

·它对人类的生存和发展具有什么意义？

关于信息科学的更为精确的定义是：

信息科学是以信息作为主要研究对象、以信息的运动规律作为主要研究内容、以信息科学方法论为主要研究方法、以扩展人的信息功能（特别是其中的智力功能）作为主要研究目标的一门科学。

1.1信息科学

1.1.1信息科学的研究对象

以信息作为主要研究对象，这是信息科学区别于其他科学的最根本的特点之一，也是信息科学之所以能够成为一门独立学科的最根本的前提。

信息从本体论的意义上来说，它是事物运动的状态和（状态改变的）方式；从认识论的意义上说，它是认识主体所感知或所表述的事物运动的状态和方式。

“事物”，既可以是外部世界的实在客体，也可以是主观世界的精神现象；“运动”既可以是物体在空间中的位移，也可以是一切意义上的变化；“运动的状态”是指事物在特定时空中的性状和态势，“运动的方式”是指事物运动状态随时空的变化而改变的式样和规律。

第一，信息是普遍存在的一类研究对象。

第二，信息与物质是既有联系又有区别的两个概念。

第三，信息与能量也是既有联系又有区别的两个概念。

第四，人类要认识事物就必须要取得信息，要变革事物也必须要有信息。

·既然信息对于人们认识事物（世界）和变革事物（世界）是十分必要的，那么，为了能够更好地完成认识世界和改造世界的使命，就有必要深入的研究信息问题。

·既然信息是普遍存在的一类研究对象，那么，人们对信息问题的研究就具有普遍的意义。

·既然信息不等同于物质也不等同于能量，那么，对信息问题的研究就自然成为一门独立的学科。

两个问题：

第一，既然上述结论表明信息问题的研究对人类认识和改造世界具有十分重要的意义，那么为什么在人类进入二十世纪中叶以前，信息科学一直没有放到“议事日程”上来？

第二，关于信息科学的独立性的问题。

传统的自然科学的基本研究对象是各种层次、各种形态的物质和能量，主要研究内容就是天体物质、地球物质和生命物质的物质结构以及其间所包含的机械的、化学的、生物的等各种形式的能量的转换规律。

尽管都伴随有不同程度的信息问题，然而传统自然科学所关心的却只是其中的物质和能量的问题。

信息科学把信息（而不是物质和能量）作为新的研究对象，它是一个独立的对象，于是，信息科学的研究必然会形成为一门与传统科学有重大区别的新科学。

1.1.2信息科学的研究内容

研究内容：

研究信息的运动规律。

第一类认识论意义的信息

第二类认识论意义的信息

图1.1.1信息科学研究内容的抽象模型

抽象模型：

·对象产生本体论意义的信息。

·本体论意义的信息转变为第一类认识论意义的信息。

·第一类认识论意义的信息转变为第二类认识论意义的信息。

·第二类认识论意义的信息反作用于对象客体，使对象产生新的运动的状态和方式。

信息的产生――信息的获取――信息的再生――信息的施效或利用

信息运动规律包括：

（1）信息产生的规律

（2）信息获取的规律

（3）信息再生的规律

（4）信息施效的规律

（5）信息传递的规律

（6）信息系统优化或自组织的规律

（7）信息过程智能化的规律

在AKT中分为：

获取、建模、再生、检索、传播、维护。

·信息感知：

完成本体论意义的信息向第一类认识论意义的信息的转变。

·信息识别：

对所感知的信息加以辨识和分类。

·信息变换：

将识别出来的信息施行适当的变换（一般是变换它的载体），以利于下一步的传递。

·信息传递：

将信息由空间的某一点转移到另一点，以供使用。

·信息存储：

收到信息后要以适当的方式存储起来，以备使用时检索。

·信息检索：

需要使用信息的时候，就要把存储着的有关信息准确迅速地取出来。

·信息处理：

在大多数情况下，信息都不能直接使用，而应当先对它们进行某些适当的处理，包括进行分析比较和运算等等。

·信息再生：

经过信息处理，就可能获得关于对象运动的规律性的认识（即获得更为本质的信息），在这个基础上，主体形成自己对对象的策略，换句话说，就是再生出第二类认识论意义的信息。

·信息表示：

主题再生出第二类认识论意义的信息后，要把它用适当的方式表示出来。

·信息变换：

这里的信息变换的作用同前面的很类似，就是对以某种方式表示的第二类认识论意义的信息进行变换，以利后面的传递。

·信息传递：

把经过变换的第二类认识论意义的信息从空间的某个位置（主体所在处）转移到另一个位置（对象所在处）。

·信息检测：

经过传递的信息可能收到噪音等因素的干扰，信息检测的目的和任务就是要把第二类认识论意义的信息从干扰的背景中分离出来。

·信息处理：

为了便于第二类认识论意义的信息发挥效用，还需要对它进行适当的加工。

·信息施效：

第二类认识论意义的信息表现了主体的意志――应当怎样对对象的运动状态和方式进行调整，这种调整（即控制）的作用就称为施效。

可见．只有当上述所有单元都正常发挥作用的时候，主体才能从本体论意义的信息中提取第一类认识论意义的信息，并从中对对象形成正确的认识，在这个基础上产生出反映主体意志的第二类认识论意义的信息，并通过它的反作用实现对对象的变革或改造。

应当指出，在许多情况下，信息施效表现为“控制”――按照主体发出的第二类认识论意义的信息所规定的“状态和方式”来调整或改变对象原来的运动的状态和方式。

所以控制是上述整个信息过程的一部分。

这也正好印证了控制论的奠基者维纳（N·Wiener）的一个重要论断：

“控制工程的问题和通信工程的问题是不能区分开来的，而且，这些问题的关键并不是环绕着电工技术．而是环绕着更为基本的信息概念。

“因此工程中的控制论，不论是关于人、动物还是机器，都不过是信息理论中的一部分罢了。

”

这些分析和论断表明了控制与信息的关系，也表明了控制理论与信息科学的关系。

另一方面，还应当指出，无论是抽象模型还是典型模型都非常清楚地表明：

整个信息过程总是始于对象初始运动的状态和方式，结束于对象终了运动的状态和方式。

后者是主体所期望的对象的运动状态和方式，因此可以称之为主体的目的状态和方式。

整个信息过程就是不断地控制对象，使它逐渐由初始的状态和方式转移到目的的状态和方式。

于是，从主体的立场来看，整个信息过程实质上就是对于对象的运动状态和方式进行优化的过程，或者，如果我们把“对象”看作是某种“系统”，那么，这个信息过程实际上就是利用信息通过控制（即信息的反作用）来优化系统的过程。

图1.2信息科学研究内容的另一种模型

这个模型的含义是：

当主体与对象（即系统）打交道的时候，主体通过获取信息和处理信息来认识系统的初始运动状态和方式；然后在处理这些信息的基础上“再生”第二类认识论意义的信息：

规定系统由初始状态转变到目的状态和方式；控制的作用则是理解和执行这个新的信息，引导系统达到规定的目的状态，完成主体对对象施行的变革。

如前所说，在获取、处理、再生和理解信息等过程中，主体应当具有智能，而且，主体智能水平越高，相应的信息过程就越有效，反之则越差。

因此，智能乃是认识世界、改造世界这类信息过程的基本特征。

实际上，智能本身也并不是什么神秘的东西，它在本质上正是—种利用信息的能力。

信息科学的研究内容归纳为：

（1）探讨信息的基本概念和本质。

（2）研究信息的数值度量方法。

（3）阐明信息感知、识别、变换、传递、存储、检索、处理、再生、表示、施效（控制）等过程的一般规律。

（4）揭示利用信息来描述系统和优化系统的方法和原理。

（5）寻求通过加工信息来生成智能的机制和途径。

信息科学的研究范围超出了仙农的信息论，深入到了控制论科学、系统科学、耗散结构理论、协同理论、人工智能理论、认知科学、思维科学等领域，并且将随着时间的推移和研究的深入而继续扩展。

信息科学的基本学科层次：

·信息科学的哲学研究，或称之为信息哲学。

·信息科学的基础理论研究。

·信息科学的技术应用研究。

1.1.3信息科学的研究方法

创立一套新的与这些新对象、新内容相适应的科学方法论。

研究对象都是信息现象占主导地位的事物，这类事物的普遍特征是处于高级的运动形式。

一方面，物质结构往往都十分复杂，另一方面，能量转换关系往往又不能反映出事物运动的本质。

物质的观点和能量的观点是无法解决这些问题的。

必须从信息的观点、方法寻找解决问题的出路。

三个方法和两个准则：

信息分析方法、信息综合方法、信息进化方法、功能准则、整体准则。

信息方法的基本意思是：

在与高级复杂的事物打交道时，应当从信息（而不是物质或能量）的观点出发，通过分析该事物所包含的信息过程来揭示它的复杂工作机制的奥秘，通过建立适当的信息模型和合理的技术手段来模拟或实现高级事物的复杂行为。

分析解决高级复杂事物的工作机制的认识问题，综合解决高级复杂事物的工作机制的实现问题，进化则解决高级复杂系统的优化和完善问题。

1.1.4信息科学的研究目标

信息科学的研究目标：

扩展人类的智力功能。

随着信息科学研究的不断深入，主体（人和生物）在获取、传递、处理、再生、施用信息等各个方面内在的机制将逐步被阐明，这些就为揭开包括遗传和思维等在内的各种高级复杂信息过程的奥秘开辟了越来越光明的前景；另—方面，人们还将逐渐找到越来越有效的方法在机器上复现主体的那些信息过程的机制，甚至在某些方面改进这些机制的工作性能。

这就必然会导致大量高级智能信息系统的问世．以它们的优异性能来补充、增强和扩展人的各种天然信息功能，即：

获取信息的功能、传递信息的功能、处理情息的功能、再生信息的功能、施用信息的功能，特别是这些功能的综合——智力功能。

这种前途是必然的。

只要信息科学确定了以信息作为它的主要研究对象，只要信息科学紧紧地抓住信息运动规律并进行深入研究，那么，扩展人的信息功能持别是智力功能这个目标就势在必达。

总之，和以往一切传统科学不同，信息科学破天荒地把信息推上了科学的舞台，使它与物质和能量鼎足而立，并以崭新的思想和方法大大干富了科学的宝序。

信息科学的兴起．使以物质和能量二者为中心的传统自然科学观念让位于以信息、能量相物质三者为中心的现代科学观，使力量型的科学发展成为智慧与力量相结合的科学，使以解放人类体力劳动为目标的传统科学转变为以解放体力和智力劳动为目标的现代科学，总之，信息科学的兴起极大地改变了整个科学的结构、内容和方向．改变了科学发展的图景和科学的思维方式。

1.2信息技术

1.2.1信息技术的定义和内涵

信息技术就是能够扩展人的信息器官功能的一类技术。

（1）感觉器官，包括视觉器官、听觉器官、嗅觉器官、味觉器官、触觉器官和平衡感觉器官等。

功能：

获取信息――通过视觉、听觉、嗅觉、味觉和触觉来感知（即获取）外部世界各种事物运动的状态和方式；平衡感觉器官则可以根据运动主体和客体之间的关系来获取平衡信息。

（2）传导神经网络，它又可以分为导入神经网络和导出神经网络等。

功能：

传递信息――通过导入神经网络把感觉器官获得的信息传送给思维器官；通过导出神经网络把思维器官加工出来的信息传送给各种效应器官或内部某些器官。

（3）思维器官，包括记忆系统、联想系统、分析推理和决策系统等。

功能：

加工和再生信息――实际上它担负着存储信息、检索信息、加工信息和再生信息的复杂任务。

通过存储、检索、加工信息得到对于外部事物运动规律的认识，通过再生信息（即第二类认识论意义的信息）来表示主体对于外部事物进行改造的策略和意图。

（4）效应器官，包括操作器官（手）、行走器官（脚）和语言器官（口）等。

功能：

施用信息――通过操作器官和行走器官来执行大脑发出的第二类认识论意义的信息，或者通过语言器官来表达第二类认识论意义的信息，使这些信息产生实际的效果。

人类的这四类信息器官和它们的信息功能是有机地联系在一起的，这种有机的联系使它们能够执行一种整体性的高级功能—一认识世界和改造世界过程所需要的智力功能。

这种高级的整体性功能不是每个个别器官功能的简单相加，它体现了一个著名的系统学原理：

整体大于部分之和。

从图中可以看出，人们同外部世界打交道的过程首先是通过自己的感觉器官从外部世界获得有关的信息，导入神经网络把这些信息由感觉器官传送到思维器官；在这里，对外来信息进行加工处理，并在此基础上再生出主体与外部世界打交道的策略信息，即第二类认识论意义的信息；然后，再经由导出神经网络把策略信息传递给效应器官，后者把策略信息转化为行动，作用于外部世界，使外部世界的事物按照策略信息所规定的方式来改变自己的状态，这就是人们认识世界和改造世界的一个基本过程或基本回合。

一般说来，要经过多个这样的回合才能逐渐接近预期的目标，由于事物的复杂性，感觉器官往往不能一次就获得完全的信息；由于存在干扰，导入神经也可能会损失部分信息；由于人们的知识背景的局限和智力水平的不理想，人们再生的策略信息不一定最佳，这样，效应器官对外部事物的控制作用就不一定能够立即达到预期的目标。

为此，在第一个回合之后，认识主体必须通过感觉器官获得控制的效果信息，并把它反馈到思维器官，后者根据效果信息决定是否需要修正自己的策略，如果需要修正，还要确定具体的修正方式，然后，按照修改后的策略信息，效应器官对外部事物进行第二次控制。

这便是认识和变革过程的第二回合。

与人类信息器官相对样的有信息技术四基元：

（1）感测技术――感觉器官功能的延长，感测技术包括传感技术和测量技术，也包括遥感、遥测技术等。

它使人们能更好地从外部世界获得各种有用的信息。

（2）通信技术――传导神经网络功能的延长，它的作用是传递、交换和分配信息，消除或克服空间上的限制，使人们能更有效地利用信息资源。

（3）计算机和智能技术――思维器官功能地延长，计算机技术（包括硬件和软件技术）和人工智能技术，使人们能更好地加工和再生信息。

（4）控制技术――效应器官功能地延长，控制技术的作用使根据输入的指令（决策信息）对外部事物的运动状态实施干预，即信息施效。

通信技术和计算机计算机与智能技术处在整个信息技术的核心位置，感测技术和控制技术则是核心与外部世界之间的接口。

没有通信和计算机与智能技术，信息技术就失去了基本的意义；而没有感测技术和控制技术，信息技术就失去了基本的作用；一方面没有信息的来源，另一方面也失去了信息的归宿。

信息技术两个比较具体的定义：

（1）信息技术是指能够完成信息的获取、传递、加工、再生和施用等功能的一类技术。

（2）信息技术是指感测、通信、计算机和智能以及控制等技术的整体。

有了“四基元”，我们就可以通过逻辑的综合或分解导出各种各样具体的信息技术应用形式。

例如，广播和电视是通信技术逻辑分解的产物：

它们是一类单向通信技术，信息只由广播中心流向用户。

又如，雷达是感测技术与通信技术的综合，也可以看作是一种比较直观的遥感技术。

再如管理信息系统，它是感测技术、通信技术、计算机技术和控制技术相结合的产物。

而生产过程自动化系统则是感测技术、汁算机技术与控制技术—体化的产物，如此等等。

下图给出了信息技术的这种生成关系示意图。

1.2.2信息技术的体系和外延

信息技术的体系包括四个基本层次：

主体技术层次、应用技术层次、支撑技术层次、基础技术层次。

如下图所示：

图1.10中各符号的含义是：

RSRE：

资源勘测遥感技术

APC：

生产过程自动控制技术

CAM：

计算机辅助生产技术

WFS：

气象预报系统

CRS：

作物检测遥感系统

AIN：

自动化灌溉网络

C3I：

指挥－控制－通信－情报系统

SDI：

战略防御系统

ASIS：

空间情报系统

IARS：

情报自动检索系统

MTS：

机器自动翻译系统

IRS：

智能推理系统

TCS：

交通控制系统

TCN：

远程会议系统

TDN：

远程调度系统

INS：

情报网络系统

DMSS：

决策支持系统

ASAS：

自动出售－记帐系统

AVN：

远程自动化视听教学网络

IEE：

智能娱乐（游戏）设备

CAI：

计算机辅助教学

ANS：

自动护理系统

TDS：

远程医疗会诊系统

MES：

医疗专家系统

ABS：

自动订座订票系统

HSS：

家务操作系统

EBS：

电子银行系统

IDMS：

智能决策系统

OAS：

办公室自动化系统

MIS：

管理信息系统

1.3信息科学的崛起及其意义

1.3.1信息科学的产生与科学技术拟人律

一个非常明显的趋势：

科学技术的重心正在由材料（物质）和能量转向信息。

在科学技术发展的过程中为什么会发生这样一种转变？

这种转变究竟是一种必然的规律，还是一种偶然的巧合？

如果是一种必然的规律，为什么不早不晚恰巧在当今这个时代？

在人类发展的最初阶段是没有科学和技术的，科学和技术是在人类认识和改造大自然的过程中逐步产生和发展起来的。

人类之所以需要科学技术，人类之所以要创造出科学技术，就是因为科学和技术能够帮助人类认识和改造自然。

科学技术可以为人类提供力量，提供智慧，使人类能够不断地从自然界争得更多的生存和发展的机会，争得更多的自由与解放。

正因为这样，人类不但创造了科学和技术，而且还要不断地发展科学和技术，来巩固和扩大他与自然作斗争所取得的胜利，不断地改造自然，我们把科学和技术的这种性质，总结为一条根本的法则，称为“科学技术辅人律”。

如下的图1.11表明：

某个时期的科学技术究竟向何处去，究竟会延长人的什么器官的什么功能，首先是要看那个时期人类认识与改造自然斗争的实际需要是什么；在这个前提下，还要看在那个时期人们对于自然的认识水平（科学知识）和那个时期人的器官功能已经达到的水平（技术水平）是什么，有可能实现延长的器官功能是什么。

一句话，正是当时延长人的器官功能的实际需要和可能，决定了那一时代科学技术发展的实际内容。

科学技术发展的另一个重要的规律――科学技术拟人律：

科学技术的发展是沿着人类自身器官功能增强的逻辑顺序前进的，或者说，是沿着人类自身进化的路线前进的。

辅人律和拟人律，这是科学技术发展的两条基本规律。

前者规定了科学技术的功能和性质，后者揭示了科学技术发展的基本模式和路线。

由这两个规律还可以揭示出第三个重要的规律――人机共生律。

在一般意义上的拟人律实际上包含了三层相互联系的含义：

科学技术的本质是辅人的；它的发展模式是拟人的；这种发展的结果是人机共生。

这一切都是一种必然的结果。

信息科学技术的发展和信息化潮流的形成不仅在发展逻辑上具有必然性，而且在发生的时间上也具有历史的必然性。

一方面，信息科学技术和信息化的潮流不可能出现在更早。

另一方面，信息科学技术的发展和信息化潮流的兴起也不会出现得太晚。

1.3.2信息科学技术的意义

信息科学的研究具有极为重要而深远的意义：

第一，信息科学提出了新的研究对象，开辟了新的重要的研究领域。

信息是一种区别于材料（物质）和能量的独立的研究对象。

物质资源提供给人类的是各种材料，能量资源提供给人类的是各种动力，而信息资源提供给人类的是知识和智慧。

利用各种材料可以制成各种工具供人们施用，但如果没有动力和智慧，这种工具就只能是一种“死的工具”，完全要靠人来操作。

如果我们不仅能够利用材料来制造工具，而且还能把动力也赋予它，那么，这种工具就不再是“死的工具”，而成了“活的工具”。

如果我们不仅能够把动力赋予机器，而且还能把知识“注入”机器，那么，这种机器就不止是“活的工具”，它还成了“智能工具”。

这种机器不但不需要人力的驱动，也不需要人来直接操作和控制，它能够按照人的要求自行工作，而且能够根据问题和条件来选择最佳的工作状态。

农业时代工具――工业时代工具――信息时代工具

人类的认识从材料（物质）转到能量，曾经引起整个时代观念的变革，那么，当人们能够透彻阐明信息的本质和利用信息资源的基本规律的时候，同样将引起时代观念的再次深刻的变革。

第二，信息科学孕育了现代科学方法论，为现代科学的研究开拓出崭新的局面。

低层次运动形式的运动规律――物质结构和能量转换关系――高层次的运动形式

例如，当人们研究生物的复杂行为，动物的心理活动，人的思维过程，社会的运动机理这样一类比较高级比较复杂的现象的时候，基于物质分析与能量分析的传统方法就很难发挥效力。

主要就是因为在这些研究领域内关键的因素已经不只是物质和能量，而更为主要的是信息。

信息方法不仅重视“事物运动的状态和方式”的形式方面（即语法信息），而且还特别重视“事物运动的状态和方式”的含义（即语义信息）以及“事物运动的状态和方式”的价值效用（即语用信息）。

正是对事物的语义信息和语用信息的充分利用，才有可能揭示诸如生命、思维、智慧这样一些高级活动和复杂过程的奥妙。

第三，信息科学的研究沟通了自然科学与社会科学的联系，为社会现象的研究提供了强有力的科学方法。

信息科学着重地探讨了信息的运动规律，把信息、能量和物质如实地看作是一个有机的统一体。

同时，信息科学又把信息过程、控制过程与系统的优化过程统一起来，得到了“利用信息、通过控制、优化系统”这样一种高级运动的重要模式。

运用这种模式，信息科学就不仅能够揭示出自然科学领域内许多高级复杂事物（如高等生物、智能机器等）的运动本质和规律，而且也可以解释大量社会现象的活动本质和规律，从而在自然科学和社会科学之间架起了联系的桥梁。

其实这是毫不奇怪的，因为人和高级复杂的事物（不管是自然科学领域还是社会科学领域的）都是一定的物质、能量和信息的统一体，它们的运动都可以在一定的程度上归结为“利用信息来认识环境，又利用信息（通过调整）来适应环境”。

这样，人们就有了一种统一的观点和方法来考察自然和了解社会。

当然，由于不同的事物本身具有不同的物质结构和能量关系，也具有不同的信息功能的水平，不同的事物又面临着各不相同的环境和约束条件，因此，虽然都可以用统一的观点和方法来加以观察和分析，但是它们的具体的运动状态和方式必须是千差万别和丰富多彩的。

可以肯定，利用信息科学的原理和方法，必将有力地推动自然科学与社会科学研究的发展和进步。

第四，信息科学技术的进步和广泛应用将大大促进社会的信息化过程。

我们把信息工具和信息资源越来越广泛越来越充分地被社会利用地过程称为社会信息化的过程。

社会信息化的直接后果，将是使社会成员的文化科学知识水平普遍提高。

换句话说，社会的信息化首先就是社会成员普遍知识化。

信息化的结果当然会使社会生产力水平空前提高，因而使社会产品大大丰富，产品质量大大改善，产品品种大大增多，产品成本大大降低。

信息化的结果也可能改变人们的工作方式，使居家办公、居家劳动、居家学习、居家采购成为一种普遍的活动方式；通过发达先进的信息系统网络，也可以把这些分散的居家活动组织成为有机的整体。

社会信息化的结果还必将大大缩小工农差别、城乡差别以及脑力劳动与体力劳动之间的差别，使社会的发展更加均衡，更加和谐。

信息化还可能改变人们的价值观念，价值的大小将不再以拥有物质产品的多少或金钱的多少来衡量，而是以拥有的知识和时间资源的多少来衡量。

知识和时间将成为人们最宝贵的东西。

当然，信息化既然使社会生产力获得空前迅速的发展，反过来也必然要求社会生产关系和上层建筑进行相应的改革，使整个社会制度更合理、更科学、更完善、更美好。

1.4信息科学史略

在近代以前（更具体地说是在19世纪以前），信息科学一直处在原始和经验的状态。

而人类真正自觉地认识信息问题并开始触及到信息的本质，则是在本世纪40年代后期的事情。

其中，理论上最主要的标志是仙农的论文《通信的数学理论》（1948）和维纳的专著《控制论——动物和机器中的通信与控制问题》（1948）。

正因为如此，一部关于人类认识和利用信息的历史可以粗略地以1948年为界来划分：

在此之前，人类不自觉地认识和低水平地利用信息；在此之后，人类才开始走向自觉地认识和高水平地利用信息的阶段。

至于在每个阶段的内部，又可以划分为许多不同的小阶段。

在近代历