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。

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、处理信息的功能、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丰富了科学的宝库。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、能量和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，使以人类体力劳动为目标的传统科学转变为以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应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，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、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？

很明显，这些问题涉及到科学技术发展的根本规律，涉及到人们对科学技术的本质的认识。为了澄清这些疑问，应当重新考察一下科学技术发生发展的历史．重新认识科学技术的本质及其发展的规律。

在人类发展的最初阶段是没有科学和技术的，人类完全是赤手空拳地同自然打交道，向自然索取生存和发展的权利的；科学和技术是在人类认识和改造大自然的过程中逐渐产生和发展起来的。

远古时期，原始人以野果为食，以捕猎为生。他们常常遇到这样的情况；容易采摘的野果采食完了，高处的野果又够不着，怎么办？赤手空拳的原始人类遇到了生存斗争中的一大难题。这个如今看来是这么简单的问题不知道困扰了我们原始的祖先多么久远的年代。久而久之，终于有人偶然拾起旁边的断枝把高处的野果钩下来了。也许他这样做并没有经过深思熟虑，纯粹属于偶然的举动。也许第一个人这样做的时候并没有引起其他人的注意；他自己在取得这次意外胜利以后也立即忘却了。但是，在以后漫长的过程中，这类举动和胜利肯定又发生过不知道多少次，并终于被后来的人普遍认识和推广，成为一种稳定成熟的经验。同样的情形也发生在捕猎方面。弱小的猎物渐渐减少，原始人不得不尝试着与比较凶猛的动物周旋。经过不知多少代人的努力，付出了包括鲜血和生命的代价，久而久之，终于有人无意中发现用石块掷击野兽比用拳头更为有效。因而，在后来漫长的岁月里，人类逐渐认识到了石头的作用。当然，从发现到普遍认识又是一个漫长的过程。但是，被认识和被推广终究是必然的，因为它在维持人类生存和发展方面具有肯定的效果。在以后的应用中，断枝逐渐被改进成为木钩，石块逐渐被改进为尖劈或石刀。有了石刀，又可以把断枝修削成木棍，后来还发展成为杠杆……。那么，回过头来看，木棒、杠杆、石刀意味着

什么呢?它们显然是维持生存的工具，也是原始意义上的生产工具。虽然它们是这样原始，但是，在原始人类加工石刀和修削杠杆或木棍的时候，在他们的脑子中已经萌生了最原始的力学和物理学的概念。这是因为—种定向性的劳动是以某种概念作为指导的，而这种模模糊糊的概念正是科学的最原始的萌芽。至于在这种原始的科学概念指导下具体加工石刀和杠杆的方法，则是技术的最初形式。科学和技术便是这样．在人类认识与改造自然的过程中，为了争取生存和发展，为了增强自己同自然斗争的本领，通过长期摸索在长期实践的基础上产生出来的。而科学和技术一旦出现，哪怕是再原始，只要被人类所掌握，就能产生巨大的力量，使人类变得更强大、更有力。有了石刀和木棍这样一批最原始的工具，人类在认识和改造自然的斗争中就不再是赤手空拳了，他们有了初步的武装。利用石刀和木棍，就如同延长了手臂，增强了力量。

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。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”。

既然科学技术的作用是在于辅佐人类队识相改造自然，那么，什么时期会出现或会发展什么样的科学技术，就取决于当时人类认识和改造自然的实际需要。

正像上面所看到的那样，远古时代，人类赤手空拳地与大自然搏斗。那时，人类维持生存的最迫切需要是延长手的长度、以便采集高处的野果；增强手的力量，以便更有效地击毙猎物；增强脚的能力，以便涉水捕鱼，并能在同野兽搏斗的时候及时追逐和及时躲避。这样的实际需要，孕育了最初的科学和技术。于是，最早登上舞台的便是“扩展或延长人

的手脚和体力功能”的科学和技术。它们的最原始的萌芽，便是上面看到过的杠杆、石刀一类。

—旦人类的手脚和体力功能得到了初步的延长，人类便开始向着更高的目标进军，认识和改造自然的斗争便在新的深度和广度上展开。比如，人们开始尝试与巨兽搏斗，以增加捕猎的收获量。但是，捕猎这些大型动物，一般来说不是一个人所能胜任的。用棍棒石刀武装起来的人，可以比较容易地猎取较小的动物(而这在以前也是很困难的)，要对付大的动物，还是相当困难。于是，人们开始进一步改进自己的武装，石刀变成了石斧，木棍变成了长矛。另一方面，人们慢慢发现，几个入甚至很多人合作，会比单匹马更有成功的把握。这样就出现了围猎的形式。有的时候，围猎需要很多人在很大的范围内互相合作。这种集体性的活动比起个体活动来，显然是—个巨大的进步，但是要求有好的组织与协调。这样就产生了互相通信的需要。开始时是用手势、叫声来表达意志，互相协作。久而久之，叫声的音节渐渐丰富起来，出现了抑扬顿挫．产生了词汇，逐步形成了语言。后来，随着人类活动的范围不断扩大，以至超出可闻可视的距离，面对面的语声通信或手势表达就遇到了困难，为了能够有效地进行合作协调，就需要增强人的发声功能，提高听力灵敏度，提高视看距离。在这种实际需要的推动下，后来就出现了号角、烽火一类通信工具，从而增强了发声器官发送信息的功能和视觉器官收集信息的功能。

行动器官和力量功能的延长在先，感觉器官和语言器官功能的延长在后，这两方面的成就，使人的总体能力进一步增强。这样，人们在自然斗争中所得到的收获量就比以前增多了，开始出现了剩余。于是，就出现了汁数的需要。同时，在集体捕猎时，需要根据规模范围的大小组织人力的多少，这也产生了汁数和运算的需要。在这种需要的激励下，后来就创造了“结绳记事、串珠计数”等方法来扩展人脑计数和记忆的功能。

以上简要的分析清楚地表明．在人类认识与改造自然的斗争中，作为“辅人”而存在

的科学技术是怎样来辅助人类的。原来，科学技术的辅人作用正是通过延长或扩展人类各种器官的功能来实现的。上面所看到的，是在科学技术从无到有的原始阶段的辅人过程；首先辅助人类延长了手脚的功能，接着延长感觉器官和语言器官的功能，再至延长神经系统和大脑的某些功能。这是科学技术原始阶段的三部曲。

如图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。

认识了这些基本的规律，就可以回答：为什么要研究信息科学?信息科学的崛起是必然的还是偶然的?为什么信息科学不早不晚恰恰在我们这个时代兴起?

原来，这一切都是一种必然的结果。根据科学技术发展的拟人律，对照图1.11所示的逻辑模型，就可以对这一历史现象作出十分合理的解释。历史演进到近代，人类器官功能的实际水平已经达到相当的高度：用近代科学技术武装起来的人类，执行器官(手、脚、力量)的功能已经得到比较有效的延长。例如，利用轮船、火车、飞机等工具，人类已经能够在海上、陆地和空中自由“行走”，使自己的行走器官的功能得到了极大的延长；利用各种类型的工具机，人类可以完成许多复杂精密的操作，使人手的操作功能得到了极大的延长；利用各种起重机械、运载器械和爆破技术，人类已经可以做到摧枯拉朽移山倒海，使自己的力量得到极大的增强等等。以这样的技术水平和科学水平为背景，近代生产实践和科学研究已经达到空前的高度，要求人们越来越频繁地同高速度、大规模、高精度的研究对象和实际事物打交道，因而对人类的信息器官的功能水平提出了越来越高的要求。但是，到近代为止，人类信息器官的功能却没有得到实质性的增强，人们基本上还是依靠自身天然的信息器官来处理信息问题，感测技术还停留在光学望远镜和光学显微镜的阶段，通信技术还刚刚进入有线电话和无线电报的初级水平，计算机技术还处在机械手摇的形式，自动控制技术则还没有真正问世。在这种条件下，客观现实对于人类器官功能水平的要求与人类器官功能实际水平之间的差距，就集中表现在信定功能水平方面。这样，按照图1.11的逻辑机制，人们在实践的过程中就必然自觉或不自觉地要努力缩小这种差距。经过近一个

世纪的积累，终于导致了本世纪中叶以来信息科学技术突飞猛进的大发展，并使整个社会出现了“信息化”的潮流。

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。在近代历史以前，生产(人类认识与改造自然活动)的水平还比较低下，人的天然信息器官功能水平还没有遇到真正的挑战，当时的功能水平的“差距”主要还表现在执行器官和力量方面，因此还没有产生“延长信息器官功能”的迫切需要；而且，那时的科学技术成就和水平也还没有做好“延长信息器官功能”的准备。另一方面，信息科学技术的发展与信息化潮流的兴起也不会出现得太晚，这是因为近代历史条件下客观要求与主观能力之间在信息功能方面的差距已经成为尖锐的矛盾，而近代科学技术的发展又已经为解决这个矛盾准备了条件。因此，这种态势可以说已经是箭在弦上，不得不发。

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，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。

在近代历史以前，虽然人类在理论上对信息还没有什么深入的理解和认识，但是对信息的利用却从来也没有停止过。只是基本上是依靠人类信息器官的天赋功能来进行的。为了更好地表达信息，人类创造了语言；为纪录信息，创造了文字；为了存储信息，创造了纸张和印刷术。为了传递信息，创造了烽火通信；为了记忆和处理(如运算)信息，创造了算盘；为了获取方向的信息，人类发明了指南针；此外，远在两干多年前，我国古代的军事将领就能够利用虎符一类方法来隐蔽和识别信息，用浑天仪来检测时间信息，等等。可见，无论在信息的表达、存储、记亿还是在信息的传递、处理、隐蔽、识别方面，人类都有过不少的创造，它们是人类信息器官功能的最初步最原始的延长，也可以说是信息技术的最原始的萌芽。特别是语言、文字和印刷木的创造，可以认为是古代的几次信息：它们的意义虽然不能和当代信息相提并论，但在人类的历史发展过程中所起的作用仍然是十分巨大的。

进入近代历史，工业、特别是电的发明与应用，为信息科学技术的发展创造了良好的条件。近代和现代社会的大规模生产和社会斗争的展开，则成了现代信息技术的催生婆。尤其是第二次世界大战，世界上所有的大国几乎都全力以赴地投入了这场世界范围旷日持久的人力、物力、财力和科学技术的全面的、决死的竞争和较量。可以想象，战争的双方为了掌握主动、赢得胜利，除了要具有丰富的物质和强大的能量，还必须能够最有效地利用信息。正因为这样，通信技术、火炮自动控制技术以及计算机技术就在战争中迅速发展起来。现代信息技术和信息科学的主要奠基人仙农和维纳以及约翰•冯•诺依曼（John Von Neumann）等科学家当时就分别在通信、控制和计算机领域活跃地工作着。他们在战时的工作，终于在战后不久开花结果。第一台现代电子计算机、信息论和控制论分别于1946和1948年公诸于世。

这一时期．人类在信息的认识方面取得了重大的进展。电报电话的发明，使人们懂得信息的载体可以进行转换。比如电话话筒就可以把携带信息的空气振动转换成电参量的变化——电信号。后来的研究表明，电信号具有频率、时间和幅度这样—些基本的参数．电信号正是通过这些参数(任何一个或它们的组合)的变化来反映所携带的信息。此后，人们开始注意如何在数值上对信息进行度量的问题。1928年，哈特莱（Hartley）首先指出了信息数量的大小仅与发信者在字母表中对字母的选择方式有关而与信息的语义无关。

I=logSn=nlogS

其中，S是字母表的字母数目，n是每个消息所含的字母数目（这里假定各个消息等长）。哈特莱的这个思想和结果，对后来仙农的工作有直接的影响。仙农受了哈特莱关于信息的形式化的思想，并把他的信息度量公式推广到更有意义的情形。仙农指出：

“通信的基本问题是在消息的接收端精确地或近似地复现发送端所挑选的消息。通常，消息是有意义的，即是说，它按某种关系与某些物质或概念的实体联系着。通信的语义方面的问题与工程问题是没有关系的。重要的是，一个实际的消息总是从可能消息的集合中选择出来的。因此，系统必须设计得对每一种选择都能工作，而不是只合适工作于某一种选择——因为，各种消息的选择是随机的，设计者事先无法知道什么时候会选择什么消息来传送。” 在这里，仙农完成了认识上的两点重要的突破：第一，他认识到通信工程与信息的语义无关；第二，通信系统所处理的信息本质上是随机的。因此必须采用非决定论的统计方法来处理问题。这样，他就找到了“形式化”和“概率论”这样的工具，并按照“信息是用来消除不确定性的东西”这样一个基本概念，证明了这样一个结论：对于具有N种可能的结果的随机试验X={xi，i=1，…，N}，它在试验前所包含的平均不定性数量可以表

示为

H= －i1pilogpi （单位）

式中pi是xi出现的概率，它们满足如下两个条件：

N0≤pi≤1 i=1,…，N

N和

i1pi=1

假定试验后，结果是xi0出现，即后验概率分布为

在此情况下，不存在后验不定性。于是，这个试验所提供的信息量

I=H－0=－i1pilogpi（单位）

在这种条件下，I与H在数值上相等，但概念上两者是不同的，H是不定性，I则是为完全消除这个不定性所需要的信息量。

N

在上述这个信息定义的基础上，仙农还进一步导出了信息传输率的表达式、信道容量公式以及在允许一定失真条件下信源的信息率公式。特别有意义的是，利用这些结果，他还得到了关于信息传输的一系列重要的编码定理，揭示了信息传输过程中数量和质量的辨证关系，建立起一些重要的性能界限，从而明确了在一定条件下什么是可以做到的、什么是不可能做到的，指明了人们在通信工程中努力的方向。这样，人类就在历史上第一次如此精确地认识和把握了通信技术的本质，初步认识和把握了信息及其传递的规律。

由于信息问题本身具有极为普遍的意义，而仙农解决问题的方法又如此新颖精巧，所得到的结果又是如此富有启发，因此，他的工作的发表，就“如一枚重镑的爆炸，震撼了科学界”[皮尔斯(Pierce)，1973]。人们感到，信息论的成就使人耳目一新，改变了科学界的想象，给许多学科带来了新的希望。于是，人们试图把信息论的概念和方法用来解决各自面临的种种难题，诸如组织化、语义学、听觉、神经生理学，心理学等等，信息论的冲击波便迅速地扩展到各个学科，人们尽可能从广泛的意义上去理解和解释信息论。从信息论产生至50年代中期这段时间内，在伦敦和美国连续举行了关于信息论的一系列重要的国际讨论会，探讨和涉及的内容极为广泛。比如，1955年9月在伦敦举行的第三届信息论国际会议，议题包括解剖学、动物保健学、人类学、计算机、经济学、电子学、语言学、数学、神经精神学、神经生理学、哲学、语音学、物理学、政治理论、心理学和统计学等等。这种出奇的繁荣曾经引起一些人的担心，仙农自己就是其中的一个，他在1956年曾经这样写道：

“近几年来，信息论简直成了最时髦的学科。它本来只是通信工程师的一种技术工具．但现在无论在普通杂志还是科学刊物上都占据了重要的地位。这一方面是因为它与计算机、控制论以及自动化这样一些新兴学科关系密切．同时也因为它本身的题材新颖。结果，它已是名过其实。许多不同学科的同事们，或者因慕其名，或者希望寻求科学分析的新途径．都把信息论引进各自的领域。总之．现在，信息论已经是名声在外。这种声誉固

然使我们本学科的人感到愉快和兴奋，但也孕育着一种危险。诚然．在理解和探讨通信问题的本质方面，信息论是一种有力的工具，而且它的重要意义还将继续与日俱增。但它却肯定不是通信工作者的万灵药。而对于其他人，则更是如此。要知道，一次就能揭开全部自然奥秘，这种事是罕见的。否则，人们一旦认识到仅仅用几个像信息、熵、多余度这样一些动人的字眼并不能解决全部问题的时候，就会灰心失望，而那种人为的繁荣就会在一夜之中崩溃。”

事实上仙农比谁都明白，他所发展的信息论还只是—种狭义的理论，它排除了语义和语用的因素。因此，他告诫人们：

“信息论(狭义的)的基本结果都是针对某些非常特殊的问题的。它们未必切合像心理学、经济学以及其他一些社会科学领域。实际上信息论的核心本质是—个数学分支，是一个严密的演绎系统。因此，透彻地理解它的数学基础及其在通信方面的应用，是在其他领域应用信息论的先决条件。我个人相信，对于上述那些领域．信息论的许多概念是有用的(实际上，有些已经显示出非常光明前景)。但这些应用的成功，决不是简单地生搬硬套所能奏效的。它应当是一个不断研究不断实验的过程。”

仙农的这些忠告，在50年代后半期受到了人们的重视。确实．在那段时间，许多盲目生搬硬套的工作都先后遭受了挫折和失败。从50年代中期以后，这类活动就已经逐渐冷落下来。正如斯莱皮恩(D．slepian)所说，60年代不是信息论的重大创新时期，而是一个消化、理解的时期．是在已有的基础上进行重大建设的时期。在这期间，一方面，对信息的实质进行了—些深入的研究，例如，阿什比(w．R．Askby)曾在组合型试验中引入了变异度(Variety)的概念(1965)．布里渊(L.Brillouin)论证了信息就是负熵，并由此成功地驱走了向热力学第二定律挑战的麦克斯韦(Maxwell)妖；另一方面，辛钦(1957)、法捷耶夫(1957)以及费因斯坦(Feinstein，1958)等人在数学上对仙农理论、特别是对概率熵公式唯

一性和公理化结构进行了更严格的论证。此后，又有许多人，如瑞尼(Renry，1960)、德洛克齐(Daroczy，1971)、有本卓(Arimoto，1971)、柯尔莫哥罗夫(Kolmogorov，1956)、波斯纳(Posner，1967)、阿克泽尔(Aczel，1975)等陆续提出了诸如不完备概率空间熵、α-熵

、β-熵、R-熵、ε-熵、ε-δ-熵这样一些新的概念和公式，去补充和完善仙农的熵公式。这一期间，在编码译码、调制解调和检测理论方面做了大量的工作，取得了许多重大的进展。所有这一切成就．使仙农信息论在概率信息范畴内日臻成熟起来。

可是，就在这个消化与理解的时期，人们开始比较清醒地注意到，信息并非必然具有概率的性质。在许多场合由于“试验”不能重复进行，不存在统计意义下的概率，于是无法用概率理论来描述这类试验。但是，毫无疑问，人们仍然能够从这些试验中获得信息。可见，信息并不以概率的存在与否为转移。这说明，存在着“非概率信息”仙农的熵公式无法度量这种非概率信息，因为熵公式是概率的泛函数。这个矛盾，促使人们认真研究非概率信息的度量方法。结果，在60年代中后期到70年代，先后提出了无概率信息[英戈登(Ingarden)．1962]、定性信息[戈廷根(Gottinger)，1975]、偶发信息(钟义信，1981)、模糊信息[德·卢卡(DeLuca)，1972]、相对性信息[杰马里尔(Jumarie)，1975]等一系列新的概念和方法。与此同时，原先被仙农审慎地加以排除的语义信息和语用信息问题，也重新引起人们的注意。相应地，各种语义信息和语用信息的描述和度量方法也先后出现。虽然这些新的概念和方法总的来说还不成熟，但是都在某种程度上和某种意义上打开了人们的眼界，启发了新的思路，激起了新的希望。近来．用信息的观点来重新理解物理学、用信息的方法来解释生物学和化学以及心理学、生理学、管理学、社会学的尝试，也在扎扎实实地进行着。除了在信息度量和信息传递方面取得了巨大进展以外，信息处理、信息提取和信息识别等领域的研究工作也取得了长足的进展。