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  序   论

   信息科学技术是当今社会起主导作用的科学技术，信息科学技术的兴起和发展在我国只有近10年，现在正以史无前例的高速向纵深发展，迎来了我国科学技术灿烂的春天。

   信息科学技术已形成众多学科与技术专业方向。

为适应信息科学技术发展对人才的需要，教育部1998年后为此设置了10多个本科专业。

如信息工程、通信工程、电子信息工程、自动化、电气工程及其自动化、电子科学与技术、测控技术与仪器、计算机科学与技术、生物医学工程、软件工程、电子信息科学与技术、光信息科学与技术等，而且还在不断形成新的学科和专业。

可见信息科学技术含盖面之宽、人才市场之大、发展速度之快，都是前所未有的。

第一讲信息科学技术与信息时代

   20世纪是人类科学技术发展史上最为辉煌的世纪。

近100多年来，人类科学技术经历了三次大革命：

①18世纪60年代，由于牛顿力学的创立，蒸汽机的出现，推动了人类社会由农业时代向工业时代的转变；②19世纪20年代，由于法拉第、麦克斯韦尔创立了电磁理论，推动了由蒸汽机技术向电力技术的发展，人类社会进入发达的工业时代；③20世纪60年代后，由于电子技术的全面发展，加速了以计算机和通信技术为核心的信息技术的发展和应用，这对各国的政治、经济、军事、科学研究、文化教育乃至日常生活等各个方面都产生巨大影响，人类社会由工业时代进入信息时代，21世纪是人类社会全面进入信息时代的新世纪

通俗的说：

信息时代是指信息科学技术在众多科学技术群体中占主导的时代，或者说：

人类的一切活动都离不开信息科学技术的时代。

信息时代如同人类已经经历过的“农业时代”，“工业时代”一样。

是人类社会发展和进步的必然；人们预料信息时代之后的下一个时代将是以生命科学为主导的地代。

   *农业时代——以资源经济为主

   *工业时代——以资本经济为主

   *信息时代——以知识经济为主

1.1 信息与信息科学

    信息时代，是以信息技术为主导技术，以信息经济为主导经济，以信息产业为主导产业，以信息文化为主导文化的时代。

信息文化将改变人类的教育、生活和工作方式，改变人类的思维方式和价值观念。

   信息经济亦称知识经济，即在充分知识化的社会中，以信息智力资源的占有、投入和配置与知识产品的生产、分配和消费为主要因素的经济。

信息经济与工业时代的资本经济相比，其主要不同点是：

   ①信息经济更依赖于知识，知识在信息经济中的作用和价值大于在资本经济中的作用和价值；

   ②在信息经济下，信息和知识本身已成为一种最重要、最积极的投入要素。

一、信息和信息论

   1.信息的定义

  早期信息的代名词是具有一定含义的“音讯”和“消息”。

20世纪20年代后，随着工业时代社会的大规划生产实践和科学技术的发展，使社会的信息量迅速增加，如何获得或利用信息，是人类面临的新课题，于是，就有人去探讨或研究，进而形成了有关信息的多种定义。

如：

   ①信息是可用数值、文字、声音、图像等形式描述的状态；

   ②信息是用数据作为载体来描述和表示的客观现象；

   ③信息是对数据加工提炼的结果，是对人类有用的知识；

④信息是隐含在物理信号中具有一定含义的消息；信号处理的目的就是为了信号中获得有用的信息。

   概况的说：

信息是可以描述的客观现象，是具有一定物理含义的消息或知识。

2.狭义信息论的产生和发展

   息的生产、传递和利用是人类的一种本能，随着社会信息量的迅速增加，如何及时准确地获得、处理、传递和利用信息，成为人类的新课题，使人们不得不去深入研究信息的基本性质和运动规律。

   *1924年，奈奎斯特（H.Nyquist）发表了《影响电报速度的某些因素》一文，探讨了电讯号的传输速率与通信系统的信道频带宽度之间的关系。

   *1928年，哈特莱（L.V.R.Havrtley）发表了《信息传输》一文，第一次提出了消息是具体的、多样的代码或符号，而信息则是蕴涵于具体消息中的抽象量的理论，并导出第一个用消息出现概率的对数来度量信息的公式。

*1948年，香农（C.E.Shannon，1916～2001）发表了《通信的数学理论》著名论文，指出“通信的基本问题就是在一点重新准确地或近似地再现另一点所选择的消息。

”并用非常简明的数学公式定义了信息量的——香农信量公式。

   1949年，香农又发表了《噪声下的通信》一文，提出了通信系统的模型。

并解决了信息容量，信源统计特性，信源编码、信道编码、信息度量和信道容量与噪声的关系等有关精确传递通信符号的基本技术问题。

这两篇文章是现代信息论的奠基之作。

因此香农被誉为信息理论的奠基人，时年香农才33岁。

*香农，美国数学家，信息论创始人，1940年获得麻省理工学院数学博士学位和电子工程硕士学位，他的硕士论文是关于布尔代数在开关理论中的应用，并证明布尔代数的逻辑运算可通过继电器电路来实现，1941年加入贝尔实验室数学部，在此工作了15年。

   由于上述的有关信息的研究都是基于统计概率的信息，没有考虑更广泛、更常见的非概率统计信息，故称其为“狭义信息论。

”

3.广义信息论的创立

   狭义信息论的局限性是十分明显的，正如香农所说“信息论（狭义的）的基本结果，都是针对某些非常特殊的问题，它们未必切合心理学、经济学以及其他一些社会科学领域。

”狭义信息论的局限性主要表现在下述三个方面：

   ①只考虑了信息的形式方面，没有考虑信息的涵义与价值方面，而在信息处理和利用时又不能回避这个问题；

   ②只局限于“消除随机不定性”的范畴，把其理论建立在概率论基础上。

而概率论研究的是是非界限明显的随机过程，在实际生活中，更多的是“亦此亦彼”的模糊现象。

所以狭义的信息论无法解决普遍存在的这些模糊现象；

   ③只考虑统计信息，没有考虑更广泛的非统计信息，只涉及信息的传递，没有研究更广泛、更重要的其他信息过程的原理和规律。

   为了克服狭义信息论的局限性，20世纪70年代起陆续有一些学者开始了新的信息理论——广义信息论的研究：

   ①1972年，德鲁卡（A.Deluca）和特米尼（S.Termini）提出了用于测量模糊事件的信息量的模糊信息熵公式。

   ※熵——其本义是源于热力学：

在热力学中，人们把不能用于作功的热能的变化量除以温度所得的商，科之为“熵”。

在现代科学技术中，泛指某些物质系统状态可能出现的程度。

②1981年，我国科学家钟义信提出了一种“广义信息函数”，试图用来描述概率信息和非概率信息。

   ③20世纪90年代，斯托尼尔（T.Stonier）提出了“统一的信息理论基础”理论。

他把信息看成是宇宙的一种基本属性，其目标是在信息物理学的基础上，结合其他信息科学理论，构建一个广义的信息理论框架。

二、其他信息类学科的出现

   1. 控制论

   1948年，美国著名数学家维纳出版了《控制论》一书，系统地揭示了机器、生物和人所遵循的共同规律——信息变换和反馈控制规律，为机器模拟人和动物的行为或功能提供了理论依据，由此诞生了一门新的学科——控制论。

维纳研究的控制论在第二次世界大战中得到了直接应用：

当时由于德国飞机的速度已接近炮弹的速度，直接瞄准射击的方法不灵了，要求控制系统能预测飞机的飞行位置，即要求控制装置在行为上具有与人和动物某些相似的行为能力。

通过大量的研究，人们找到了自动控制装置这种模拟人的、有目的性的行为能力，这就是后来机器人或机器动物。

这里一个最基本概念就是“反馈控制”，自动控制系统利用输入的目标信息经处理后输送出去，又把输出信息馈送到原输入端，并对信息的再输出进行调整，达到反馈控制的目的。

维纳还发现人的神经控制和工程控制系统都是建立在对周围环境和自身状态各种信息的获取、传递和处理的基础上的，而这种信息过程又都是随机过程，必须用概率和统计的方法才能定量地把握它们。

反馈控制理论不仅在工程技术领域，而且在经济管理和日常生活中都有着重要的应用价值。

2.系统论

   系统的概念人们早有认识，但系统论作为一门学科知识是从20世纪40年代才开始形成的。

早期美籍奥地利生物学家贝塔朗菲（L.V.Bertalanffy）认为，虽然人类对生物发展的认识已深入到分子、原子层次，并取得重要成果，但在很大程度上是以失去其全貌为代价的。

   为此，他从生物整体出发，把生物及其环境作为一个大系统来研究。

认为生物的整体属性大于其各组成部分属性的简单总和。

其欠，他还认识到，生命和非生命存在一个明显的矛盾，即热力学的“退化论”和生物学的“进化论”相对立，也就是说，热力学中研究的非生命系统随着时间的推移，系统的熵越来越大，走向无序状态；而生命系统的进化则是朝有序方向发展的。

1969年，比利时自由大学教授普利高津（I.Pri-gogine）提出了，“耗散结构理论”，分析了一个系统从无序向有序转化的机理、条件和规律，科学地解释了前面所说的“退化”和“进化”的矛盾，进一步发展了系统论，他的这一理论荣获了1977年的诺贝尔奖。

系统论以复杂系统为主要研究对象，强调整体性原则、层次结构原则、动态性原则和综合优在原则。

还研究系统各部分最优组合问题，即一般意义上的从无序转化为有序的问题；并使信息系统各组成部分发生相互作用。

一个好的系统，必须是一个能够充分利用信息系统。

3.计算机科学

   计算机科学是研究计算机及其与各种相关的现象和规律的科学，因为计算机是处理信息的主要工具，所以也称计算机科学是研究信息处理的科学。

计算机科学的理论在数字计算机出现之前就已存在，其最具代表的人物——图灵。

   ·英国剑桥大学数学家艾伦·图灵（AlanMath——isonTuring,1912～1957）于１９３６年发表了题为“论可计算数及其在判定问题中的应用”论文，提出了著名的理论计算机模型—图灵机，时年２２岁。

现在几乎所有的编程语言都建立在图灵机模型上，因而图灵被誉为计算机科学奠基人。

·1945年，美籍数学家冯．诺伊曼（JohnvonNeumann,1903～1957）等人首次发表了题为“电子计算机逻辑结构初探”的报告，奠定了存储程序式计算机的理论基础。

·1946年，由美国宾夕法尼亚大学物理学家约．英克利（John.w.Mauchly）领导研制的世界上第一台电子计算机ENIAC（ElectronicNumericalIntegratorAndcalculator——电子数值积分计算机）式投入使用。

   *世界上第一台电子计算机采用电子管作为基本逻辑部件，其由18800只电子管，1500个继电器，7万只电阻，1万个电容和6000个开关组成，结构体积达3000立方英尺、重达30吨，土地面积约170m2；存贮容量为20个字长为10位的二进制数，运算速度为每秒5000次加法，3ms作一次乘法，功耗25KW。

   ENIAC共运行了10年，1956年被送入博物馆。

半个世纪以来，计算机技术虽然有了飞速发展，但计算机的基本体系结构和基本工作原理仍然沿袭冯·诺伊曼的最初构思和设计，这种由运算器、逻辑控制器、存储器、输入和输出等5个部分组成的“存贮程序”式计算机，统称为冯·诺伊曼计算机，或冯氏结构计算机。

   ·1954年，美国德州仪器公司（TI）研制出硅晶体管，为降低晶体管制造成本开辟了道路。

同年贝尔实验室研制出世界上第一台晶体管计算机TRADIC。

    1971年，Intel公司研制成功世界上第一块微处理器4004。

它包含2300个晶体管，是一个4位二进制数系统，时路上频率108KHZ，每秒可执行6万条指令。

·1974年，Intel公司推出了8位微处理芯线8080，同年计算机爱好者埃德·罗伯茨利用8080生处理器设计出一款体积很小的计算机“Altair8800”——世界上第一台商用个人计算机，价值397美元，内存256字节，并提出了*PC这个崭新的概念。

   ·1975年，比尔·盖茨和保罗·艾伧创办了microsoft公司。

   ·1976年，Zilog公司推出280微处理器，这是一个8位处理器。

   ·1977年，苹果公司面向广阔的通用PC市场推出了AppleⅡ型计算机。

   ·1981年，IBM公司推出了首款个人计算机IBM5150，它的CPU采用Inter8088微处理器芯片，主频4.77MHZ，内存64KB，操作系统采用Microsoft公司的DOS1.0。

每台售价3005美元，年销售量达13万台。

在获得巨大商业利益的同时，IBM委托Microsoft为其PC机开发DOS操作系统，这为微软的崛起提供一个极好的机会。

由微软开发的DOS操作系统由IBM配套卖出时，称之为PC—DOS，而由Microsoft自己卖出时，则称之为MS-DOS，微软精明地保存了继续开发的权利，这是微软独霸世界PC操作系统的开始。

   ·1985年，Microsoft发布了新版本的操作系统Windows1.0，但该系统尚很不完善。

     ·1993年，Microsoft发布了Windows3.1，Windows3.1在Windows1.0的基础上得到了进一步完善。

   ·1995年，Microsoft发布了32位的多任务操作系统Windows95，该版本是一个比较完善的系统。

·2001年10月25日，Microsoft又发布了WindowsXP系统，并在半个月之后紧接着发布了WindowsXP中文版，这是微软继Windows95之后一次操作系统版本的重要发布，该版本在系统管理及其稳定性、远程访问及无线网络支持方面具有突出的特性。

   *除上述三个方面之外，还有情报科学、生物信息学、智能科学等，都获得了巨大的进步。

三、信息的特征与信息科学的研究

   1.的主要特征

  不同信源产生的信息具有各自不同的特性，但各种信源产生的信息都具有一定的共同特征。

   ①信息的不灭性：

自然界的物质和能量是不灭的，其形式可以转化，但作为一个独立体总是客观存在的。

信息不像物质和能量，它不能单独存在，作为一种客观现象它必须依赖于某一载体之上；它是某事物运动的状态和方式，而不是事物的本身。

信息的不灭性是指一条信息产生后，虽然其载体（如一本书、一张光盘）可以被毁掉，但信息的本身并不会被消灭。

如同一个犯人要消灭罪证一样，保存罪证的载体可能一时被消失了，但罪证的本身还是客观存在的。

  ②信息的可传递性：

信息可以依赖于一定的载体进行传递，称之为通信。

我们把信息的发布者称为信源，相应地把传递信息的通道称之为信道，把信息的接受者称之为信宿。

信息依赖信道（如电话、网络、微波、卫星等）可从信源传递到信宿。

信息在时间上的传递称之为信息存储，利用存储介质（如纸张、磁带、磁盘、光盘等）可将文字、声音或图像表示的信息记录下来，信息存储为永久性的传递提供了极大的方便。

   ③信息的可处理性：

利用计算机或其他工具可对信息进行加工处理，信息处理的目的是从某一个信号中获取我们所需要的信息，或从多个信息中找到我们所要找的某个信息，或分析某一个信息的特性，以利用信息的这一特性为我们服务等。

不断提高信息的识别，加工处理和利用能力是信息科学技术中的重要分支。

  ④信息的共享性：

信息从信源发出后，可通过一定的信道或存储介质传递到多个信宿处，这就是信息的共享性。

信息的创造或发布，有时需要很大的投入，但现在进行信息的传递或复制往往十分方便，也就是说信息可以廉价复制，秋毫无损地广泛传播。

正因为如此，信息社会特别强调知识产权和信息道德、并通过立法来维护知识产权。

    2.信息科学主要研究对象

  随着人类社会对信息的获取和运用越来越频繁，信息论的含义越来越丰富，信息论的应用越来越广泛，到20世纪70年代末，有关信息的研究已由通信领域迅速向物理学、化学、生物学、心理学、管理学、经济学、计算机科学、系统工程学、遥感遥测遥控学及其它社会科学领域渗透，使信息与信息论的科学研究逐渐成为一门多学科融合的交叉学科——信息科学。

这一兴新的学科涉及自然科学等多学科分支，处于不同学科的分支下的专家学者对信息科学的理解和解释不尽相同，因而给信息科学一个完整的统一的定义是有困难的；但其共识是一致的，即信息科学中的信息范围不应该是局限了某些特定领域，而应该是多元化的，只有统一的信息科学才是真正的信息科学。

   信息科学是以信息的性质、运动规律和利用为主要研究内容，以计算机和通信网络为主要研究工具，以提高人类获取和利用信息的能力为主要研究目标。

或者说，信息科学研究各种信息系统中信息的产生、获取、传递、加工、存储、变换、表示、检索和利用，使信息的研究更好地服从于科学技术的发展和人类社会的进步。

1.2 信息科学技术概述

  人类社会由农业时代、工业时代向信息时代的进步和转变，其主要动力就是信息科学技术的不断发展和应用。

纵观人类社会发展史和科学技术史，信息科学技术在众多科学技术群体中，越来越多显示出强大的人命力。

随着现代世界经济及科学技术的飞速发展，高新技术和产品层出不穷，种类繁多，日新月异，而现代社会高新技术发展的集中代表和最主要的科学技术领域就是信息科学技术。

那么信息科学技术到底是何物，在这一节里，我们将从下面几个方面于以概述。

  一、信息科学技术的产生及内涵

   1.信息科学技术的产生

   科学技术的产生和发展总是与人类自身的不断进化相吻合的，这就是“科学技术辅人律”。

按照辩证唯物主义的观点，人类的一切活动都可以归结为认识世界和改造世界，人类需要科学技术，因为科学技术可以为人类不断认识世界和改造世界提供智慧和力量。

在远古时期，原始人以野果为食，以捕猎为生，以赤手空拳方式与大自然作斗争。

当人类在斗争中逐渐认识到自身的功能不足时，就产生要延身自身器官功能的要求，因而就产生了木钩、木棍、石刀和弓予；以便能方便地采摘用手够不着的高处或远处的果子，捕猎较大或较凶猛的动物。

后来，人类为了满足长久地或远距离地交流的需要，又陆续创造出符号、文字、印刷和通信技术。

   如果我们把扩展人类器官功能的原理和规律称之为“科学”，则相应地把扩展人类各种器官的具体方法和手段称之为“技术”，这就是科学技术的“拟人律”，信息科学技术的产生和发展也遵循此“拟人律”。

  在农业时代和早期的工业时代，由于生产力和生产社会化程度不高，人们仅凭自身的信息器官就能满足当时认识世界和改造世界的需要；虽然人们一直在与信息打交道，但无延长信息器官功能的需要。

到了近代，随着生产和实践活动的不断发展，特别是蒸汽机的发明和应用以后，促进了大规模工业的形成和发展，人类信息器官的功能已越来越滞后于社会对其功能的需求。

这一客观需求促使人类不但要加强自己的支体器官，还要扩展和延长自己的信息器官；于是信息科学技术的产生和发展就开始了，经过几十年的探索和积累，到20世纪70年代信息科学技术进入了高速发展的新时代，人类社会也开始由工业时代向信息时代转变和发展。

   2.信息科学技术的内涵

   进入20世纪80年代以来，信息科学技术在社会的各个领域的应用和作用日益突出，世界各国都开始了对信息科学技术的研究，使得信息科学技术迅速成为一门独立的学科技术。

但从广义上给信息科学技术的内涵下个定义是困难的，我们还是从科学技术的“拟人律”角度来探讨信息科学技术的内涵，可以给出如下明确的定义：

   信息科学技术是指能够扩展、延伸人类信息器官功能的技术。

一般说来，人类的信息器官主要包括以下四大类：

（1）感觉器官：

包括视觉器官、听觉器官、嗅觉器官、味觉器官、触觉器官和平衡觉器官等；

（2）传导神经网络：

包括导入神经网络，导出神经网络和中间传导神经网络等；

  （3）思维器官：

包括记忆系统、联想系统、分析系统、推理系统和决策系统；

  （4）效应器官：

也叫执行器官，包括操作器官（手）、行走器官（脚）和语言器官（口）等。

        人类四大信息器官的功能及其相应的扩展技术如下表：

人体信息器官

 人体信息器官功能

 用来扩展人体信息器官功能的信息技术

感觉器官

 获取信息

 感测技术

传导神经网络

 传递信息 

 通信技术

思维器官

 加工和再生信息

 处理技术

效应器官

 使用和反馈信息

 控制技术

其中：

（1）感测技术——包括传感技术和检测技术，它们是感觉器官的延伸，使人们能够超越感觉器官而更好地从外部世界中获得各种有用信息。

（2）通信技术——主要用于信息的传递、交换和分配，使人们更好地跨时域、跨地域地利用信息，它们是人体传导神经网络功能的延伸。

  （3）处理技术——是人体思维器官功能的延伸，主要帮助人们加工和再生信息，以便更好地利用信息；主要有计算机技术。

  （4）控制技术——它是人体效应器官功能的延伸，主要通过反馈控制系统，对信源等外部事物的运动状态进行干预，以便更好地认识世界和改造世界。

二、信息科学技术的分类

  信息科学技术是一门尚在高速发展的多学科交叉技术，必然有很多个学科分支，并且还在不断地产生新的学科分支。

因而从学科分支角度是很难分类的，这里我们还是结合科学技术的“拟人律”，对信息科学技术进行分类。

   1.按结构层次分类

   信息科学技术按结构层次可分为三大类：

（1）信息基础技术——主要包括新材料、新能源、新器件的开发或制造技术，它是整个信息技术的基础。

具体有：

   ·微电子技术：

如集成电路设计与集成电路制造技术；

   ·光子技术：

如光材料、光器件、光学系统的开发和制造技术；

·光电子技术：

如硅半导体材料、金属氧化物、半导体材料、砷人镓材料的开发和利用技术，半导本光电器件开发和利用技术等；

    ·分子电子技术：

即分子电子器件制造技术。

（2）信息系统技术——即有关信息的获取、传递、处理和控制技术。

具体有：

    ·信息获取技术：

如传感技术、检测技术等；

    ·信息处理技术：

即计算机软件和硬件技术；

    ·信息传输技术：

如网络通信技术、微波通信技术、卫星通信技术；

    ·信息控制技术：

如反馈控制技术、现代控制技术。

  （3）信息应用技术——即有关信息的实际应用技术，主要指信息管理、信息控制、信息决策等社会信息应用技术，如办公自动化、企业管理自动化、电子商务及电子政务等。

2.按应用领域分类

   信息科学技术按其应用领域不同可分为两大类——即社会信息科学技术和自然信息科学技术，前者称之为管理信息系统，后者相应称之为工程信息系统。

（1）管理信息系统——管理信息系统是指根据社会信息实施科学管理的信息系统。

它是由管理科学、系统科学、计算机科学等组合起来的新的边缘科学，它能帮助人们实测国民经济部门或企业的各种运行情况，能利用过去和现在的信息，预测未来的发展或变化，能从全局出发辅助决策，能利用信息控制国民经济部门或企业的活动，帮助其实现规划目标。

   管理信息系统一般都由信息数据的输入、输出、传输、存贮和加工处理等部分组成。

·数据收集和输入：

将分散在各处的信息数据进行收集并记录下来，整理成信息要求的格式和形式。

当数据录入到一定的介质（如磁带、光盘等）上后，即可以输入到计算机中去以便处理。

   ·数据存贮：

管理信息数据通常大批量的数据，需要一次存贮多次使用，并永许多个过程实现数据共享，因此整理后输入的大量数据一定要妥为保存，通常内外存贮器双备份存贮。

当需要时可从内存或外存中调出，进行必要的更新，更新后的数据要即时存贮。

   ·数据传输：

数据传输通常以计算机为中心，通过通信线路或设备将信息数据从信源传至信宿，或从这一端传到另一端。

远程传