书城科普日新月异的信息科学(科普知识大博览)
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第6章 信息科学技术概述(2)

根据图3和图4所示的模型以及信息科学的研究内容可以清晰地看出,随着信息科学研究的不断深入,主体(人和生物)在信息获取、信息传递、信息处理、信息再生、信息施效等各种功能的内在机制将逐步被阐明,这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;另一方面,人们还将逐渐找到越来越有效的方法来在机器上模拟或复现主体信息功能的机制,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、认知信息的功能、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,扩展人类的信息功能特别是扩展它们的有机整体——智力功能——这个目标就势在必达。

以上就是关于信息科学定义的"研究对象、研究内容、研究方法、研究目标"的分析和解释。通过这些说明,读者对于信息科学本身的总体概念应当有了初步的然而也是比较清晰的了解。当然,更深入的理解有待后续各个章节的展开。

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。信息科学的崛起,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,信息科学的兴起大大地完善了现代自然科学的结构,极大地优化了整个科学的内容和方向,改变了科学发展的图景和科学的思维方式。

由于信息科学理论的深刻性,它的问世不仅大大改变了自然科学的面貌,同时也对社会科学和哲学产生了巨大的影响。

信息论简说"信息科学"不等于"信息论"。这里有一段发人深省的故事。

美国Bell实验室的科学家仙农创立了"通信的数学理论(MathematicalTheoryofCommunication)",即"通信论"。他用统计的方法建立了通信系统中信源信息的度量、信道容量的度量以及保障通信系统信息传输有效性和可靠性的编码原理。这是一项划时代的伟大贡献。

后人不满足仙农对这个理论的命名,遂把它称为"信息论"。此后便少有人知晓"通信论",而只知道"信息论"。

其实,把仙农的"通信论"称为"信息论"是不妥当的。这是因为,如果把它命名为"信息论",它就应当能够适用于信息的各个分支领域:信息的获取(感测)、信息的传递(通信)、信息的处理(认知)、信息的再生(决策)、信息的执行(控制)。然而,在通信以外的其他领域,特别是认知和决策这些智能领域,仙农理论不能普遍成立。

应当指出,仙农本人对于通信的数学理论(信息论)的性质、特点和适用范围有很清晰地认识。1956年,正是信息论在国际学术界处于"高热"时期,仙农便在《IEEE信息论汇刊》(IEEETransactionsonInformationTheory)撰文,指出"信息论的实质是一个数学分支——它是通信工程师的有力工具,但肯定不是万灵药——至于其他领域的人,则更要注意应用信息论的条件"。

仙农在1948年创立的是"通信论",而不是"信息论"。这是由当时的社会需求和科学能力决定的。那时,社会的需求是发展通信、计算机、自动控制这样一些应用性新技术,还没有对智能理论提出明确的需求。另一方面,当时的科学能力也还没有为研究智能理论做好必要的准备。如模糊集合、粗糙集合和混沌理论等这样一些必要的数学工具还没有诞生。

世纪下半叶,随着通信、计算机、控制这些信息技术分支的发展,随着新的数学工具的陆续问世,智能理论的研究被提上日程,人们尝试建立一个能够适用于整个信息领域的"信息理论"。不过,为了避免同仙农信息论在概念上混淆,就把它命名为"全信息理论"。命名为"全信息理论"的根本原因在于:通信问题需要考虑的是白噪声背景下波形(语法因素)的复制,不需要考虑波形的内容(语义因素)和价值(语用因素),因此,仙农理论的"信息"只研究"语法信息"(而且是统计型的语法信息),有意舍去了"语义信息和语用信息"。而为了研究适用于整个信息(特别是智能)过程的信息理论,则需要全面考虑语法信息、语义信息、语用信息的因素。"全信息理论",就是全面考虑语法、语义、语用因素的信息理论。

一旦有了"全信息理论",就可以统一处理信息的全部过程。于是,全信息理论、信息的获取(感测)理论、信息的传递(通信)理论、信息的处理(认知)理论、信息的再生(决策)理论、信息的执行(控制)理论这些在过去一直是各自独立发展起来的分支学科,就自然地综合成为一个统一的学科体系。这就是"信息科学"。它确实与"信息论"大不相同。

仙农信息论主要是针对通信系统(即信息的传递过程),研究通信系统中信息的传输和处理的共同规律。

各种通信系统,如电报、电话、电视、广播、遥测、遥控、雷达和导航等,虽然它们的形式和用途各不相同,但本质是相同的,都是信息的传输系统。为了便于研究信息传输和处理的共同规律,将各种通信系统中的共同特性部分抽取出来,概括成一个统一的理论模型,如图5所示。通常称它为通信系统模型。

图5通信系统模型这个通信系统模型也适用于其他的信息传递系统,如生物有机体的遗传系统、神经系统、视觉系统等。甚至人类社会的管理系统也可概括成这个模型。

仙农信息论的主要内容就是应用概率统计的方法研究有关通信系统中的信息测度、信道容量以及信源和信道编码理论等问题。这部分内容是信息论的基础理论,又称仙农基本理论。

在这里,有必要对信息科学与仙农信息论之间的联系与区别做一个简要的归纳。显而易见,信息科学与仙农信息论两者都以信息为研究对象。它们之间的区别,则可以参见下表。

信息科学与仙农信息论的区别对比对象〖〗信息科学〖〗仙农信息论研究面向〖〗智能系统(信息的全程系统)〖〗通信系统(智能系统的一个环节)研究目标〖〗扩展智力功能(信息功能的整体)〖〗扩展信息传递功能(智力功能的一部分)研究对象〖〗全信息(语法、语义、语用的整体)〖〗统计语法信息(全信息的一个部分)研究内容〖〗信息全过程〖〗信息传递过程(全过程的子过程)研究方法〖〗信息科学方法论〖〗统计方法(原有方法)可以看出,根本的问题在于信息科学与仙农信息论的研究面向和目标不同,也就是两者的学科定位不同。

由于两者的研究面向和目标不同,就导致两者在研究对象、研究内容和研究方法上都产生了重大的区别。信息论面向通信系统,因此就只需要研究统计语法信息,完全不需要关心其他形式的语法信息,更不需要关心语义信息和语用信息,而且只需要研究信息传递过程的有关规律;信息科学面向智能系统,就必须研究全信息,研究信息全过程的规律。从图4可以很清楚地看出:仙农信息论(信息传递)是信息科学(全过程)的一个部分。

信息技术概述什么是信息技术有了信息科学的概念,信息技术就可以定义为"扩展人的信息功能"的手段和方法。

信息技术能够延长或扩展人的信息功能。信息技术可能是机械的,也可能是激光的;可能是电子的,也可能是生物的。信息技术主要包括传感技术、通信技术、存储技术和计算机技术等。传感技术的任务是延长人的感觉器官收集信息的功能;通信技术的任务是延长人的神经系统传递信息的功能;存储技术是延长人的记忆器官存储信息的功能;计算机和人工智能技术则是延长人的思维器官处理信息和决策的功能。当然,这种划分只是相对的、大致的,没有截然的界限。例如,传感系统里也有信息的处理和收集,而计算机系统里既有信息传递的问题,也有信息收集的问题。

信息科学的研究成果对于信息技术的进步发挥了关键的指导作用。正如科学理论层次的情形一样,信息技术的各个分支——传感与测量、通信与存储、计算技术、信息处理、决策技术、人工智能技术、控制技术、自动化技术、显示技术、系统技术——原先也都是互相独立发展的,几乎没有互相交流,也几乎没有互相借鉴。全信息理论对于信息技术最重要的启示,就在于开始使人们认识到:这些表面看来似乎互相无关的技术实质上都是信息技术体系中一系列互相联系、互相补充和互相支持的技术分支,传感与测量是信息获取技术,通信与存储是信息传递技术,计算技术和智能信息处理是信息认知技术,智能决策是信息再生技术,控制和显示是信息执行(信息施效)技术,信息系统是信息全局优化技术等。

一旦揭示了信息技术各个分支之间的本质联系,一个具有重大意义的新的信息技术领域便登上了技术舞台,而且对经济的发展和社会进步发挥出越来越巨大的推进作用,这就是"信息网络技术",准确地说是"大规模智能化信息网络技术"。它是信息时代最先进、最强大的通用社会生产工具,是当代信息技术发展的集中体现。

智能化信息网络技术的重要性在于:既然人类认识世界和改造世界的全部活动可以归结为一种有目的的信息获取、信息传递、信息认知、信息再生、信息施效的过程,那么,由于信息网络也在相当程度上具备信息获取、信息传递、信息认知、信息再生、信息施效的全部功能,它就可以在很大程度上帮助甚至代替人类劳动者从事各种体力和脑力的劳动。而由于现代信息技术的突飞猛进,信息网络的工作速度、工作精度、工作力度、工作的规范程度等都大大超过人类自身的能力,因此,信息网络对人类劳动者的帮助和某些方面的替代,将给经济发展和社会进步带来多么伟大的意义,自是不言而喻。

不难看出,除了信息网络之外,任何单项信息技术都不可能起到这种"在很大程度上帮助甚至代替人类劳动者"的作用;其他非信息技术更不可能起到这种作用。这就是早已为人们熟知的"人机共生,人主机辅"的未来社会生产方式的图景。

需要强调指出的是,基于现代信息技术的大规模智能化信息网络的作用绝对不等于(而必然是远远大于)信息技术各个分支技术作用的简单相加。这就是著名的系统学原理:整体大于部分的简单和。因此,对于大规模智能化信息网络的研究要比任何一个信息技术分支的研究都重要得多;信息网络的应用比任何一个信息技术分支的应用都重要得多。

当然,信息技术各个分支的发展是信息网络技术发展的基础,如果没有信息技术各个分支的发展和进步,就不会有信息网络技术整体的发展和进步。这很容易理解。但是,如果某种信息技术分支的进步不能直接在整个信息网络技术进步中表现出来,那么,这种信息技术分支的进步就可以认为没有什么实际意义。信息技术发展的意义在于对信息网络技术的进步有所贡献,因为各门信息技术分支对经济和社会的贡献都是局部的,只有信息网络(作为信息技术的整体)才能对经济发展和社会进步产生全局的巨大作用。

近几十年来,信息技术各个分支都在迅速发展。例如,光通信的容量不断翻番;移动通信的技术不断更新;计算机技术的速度不断升级等。但是,这一时期最引人注目的进步却是信息网络整体技术的发展。这里所说的信息网络,不是单纯的电信网络,因为后者只具备信息传递一项功能,而信息网络则具备信息获取、信息传递、信息认知、信息决策、信息施效等全部信息功能;同样道理,信息网络也不是单纯的计算机网络或有线电视网络,甚至也不等于电信网络、计算机网络、有线电视网络的融合,因为三网融合之后也基本上只是一类通信网络,一类宽带多媒体的通信网络,还不是信息网络。一旦大规模智能信息网络成为了基本的社会生产工具,人人都利用大规模智能信息网络直接从事生产劳动(包括工业和农业生产劳动,包括体力和脑力的劳动)、交流交往、管理活动、学习和社会服务以至家务劳作,那么,21世纪意义上的现代化在高度信息化水平上的现代化就大体上奠定了坚实的技术基础。

关于信息技术的分类,也有几种不同的分类方式。上面介绍的信息技术的各个分支,实际上是根据信息全过程的某个环节,将信息技术分为信息获取技术、信息传递技术、信息存储技术、信息处理技术、信息控制技术、信息显示技术和信息决策技术等。

此外,也可以根据信息载体的不同对信息技术进行分类。信息的载体是信号,根据信号的不同形式,信息技术可以分为电磁信息技术、电子信息技术、光信息技术、生物信息技术等。电磁信息技术中信息的载体是电磁场或电磁波,典型技术有移动通信、微波技术、电磁兼容等。电子信息技术中信息的载体是电子,典型技术有电子电路技术、电子系统技术、微电子技术、大规模集成电路技术等。光信息技术中信息的载体是光波或光子,典型技术有光传感技术、光通信技术、光存储技术、光显示技术、光计算技术等。

通信网络通信的任务是及时准确安全地完成信息在空间上的传递。作为社会成员的人们,相互之间必须保持密切的信息联系;而且,社会越是进步,这种信息联系就越是紧密。以我国的情况为例,早在周朝时期,人们就开始利用烽火传递敌人入侵的消息,后来出现了驿站传书(邮政)的情报传递系统,现在则发展了各种现代通信技术,体现了"社会越进步,信息联系越紧密"的关系。

今天,人类社会已经跨入信息时代,人们的生活和工作更是离不开信息的传递与交流,通信的社会需求与日俱增,必须建设和发展现代通信网络才能满足现代社会对信息传输和交换的要求。

通信系统.通信系统的构成最直观的通信行为是发信者与收信者之间的直接通信,称为点对点通信。支持点对点通信的技术系统称为通信系统。通信网络则是由大量通信系统和连接它们的交换(转接)系统构成的。