第1章信息技术总论.ppt

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1、辽宁石油化工大学计算机与通信工程学院,第一章 信息技术总论,1.1信息的基本概念,1.1.1 什么是信息 信息者，“音信消息”也。 美国数学家、控制论奠基人维纳在1948年出版的控制论：动物与机器中的通信与控制问题。一书指出：“信息就是信息，不是物质也不是能量”。 另一美国学者、信息论创始人仙农在通信的数学理论论文中,明确地把信息量定义为随机不定性减少的程度，表明他把信息理解为“用来减少随机不定性的东西”。这里的随机不定性是指由于随机因素所造成的不肯定性，数值上用概率墒来计量。 法裔美国科学家布里渊在他的名著科学与信息论一书中指出，信息就是负墒，并且还创造了一个新词Negentropy来表示负

2、墒的概念。,维纳在1950年出版的控制论与社会一书中也曾经指出：正如熵是无组织程度的度量一样，消息集合所包含的信息就是组织程度的度量。事实上，完全可以将消息所包含的信息解释为负墒。 M. Tribes等人在1971年9月的科学的美国人杂志上发表了题为“能量与信息”的论文指出：“概率是对知识状态的一种数值编码。某人对一个特定问题的知识状态可以用这样刚方法来表示，即对这个问题的种种想得出来的答案各分配一定的概率；如果他对这个问题完全了解，他就能够对所有这些可能的答案(除了其中一个之外)赋予概率零，而剩下的那个则赋予概率1。 既然可以把知识状态编码成这样的概率分布，我们就可以给信息下一个定义：信息就

3、是使概率分布发生变动的东西。这个定义看上去和仙农的定义很不一样，实质却完全相同。这里需要指出的是，用概率分布来表示知识状态并没有考虑知识的效用或价值。,控制论的另一位奠基人，英国生物学家W. R. Ashby在控制论导论一书中对信息提出了另一种理解他首先引入了一个“变异度”的概念：任何一个集合所包含的元素数目的以2为底的对数就称为这个集合的变异度 (也可以把集合的元素数目直接定义为它的变异度)。 然后，他就把变异度当做信息的概念来使用。不难证明，变异度实际上是均匀概率分布条件下的仙农熵。 基于变异度的概念后来还发展出一些新的说法，其中意大利学者G. Longo在1975年出版的信息论：新的趋势

4、与未决问题一书序言中就曾经指出：信息是反映事物的形式、关系和差别的东西，它包含在事物的差异之中，而不在事物本身。,事实上，半个多世纪以来，科学文献中所提出过的信息定义数以百计，百花争艳，众说纷纭呈现一片繁荣兴旺而又扑朔迷离的景象。 其实，这是由于不同的作者从不同的角度在不同的条件下对信息进行考察的结果。为了避免“以偏概全”，在定义信息的时候必须十分注意定义的约束条件。为了得到科学合理的认识，应该根据不同的条件，区分不同的层次来给出信息的定义，同时根据约束条件的增减，使信息的定义随之进退。 可以认为，没有任何约束条件的层次是最高的层次，也是最普遍适用的层次，通常称为“本体论层次”。如果在最高层次

5、本体论层次的基础上引入一个约束条件，最高层次的定义就退变为次高层次的定义，次高层次定义的适用范围就比最高层次定义的范围要窄。引人的约束条件越多，定义的层次就越低，适用的范围就越窄；于是，根据引入的条件的不同，就可以给出不同层次和不同适用范围的信息定义，这些信息定义的系列就构成信息定义的自恰体系。,最典型的情况是，对本体论层次信息定义引入一个特殊约束必须有主体(人、生物或机器系统)的存在，且须从主体的立场出发来定义信息。在这个条件下，本体论层次信息定义就转化为认识论层次信息定义。 在(无约束条件的)本体论层次上，信息的存在不以主体的存在为转移，因此，在这个层次上就可以认为：在地球上出现人类以前，

6、信息就已经存在了，只是没有人去感知和利用它而已。 但是在认识论层次上则认为：没有主体就没有认识论层次的信息。因此在人类出现之前不存在(以人类为观察主l车的)认识论层次信息。 可见，讨论的条件不同，信息的层次不同，它的定义也就不同。颇为有趣的是，这两个看似矛盾的结论之间并不互相矛盾，因为它们的定义条件各不相同且可以随着条件的增减而互相转化。,本体论层次的信息定义,某个事物的本体论层次信息，是该事物运动的状态及其变化方式的自我表述。,定义中所说的“事物”泛指一切可能的研究对象，包括外部世界的物质客体，也包括主观世界的精神现象。 定义中所说的“运动”泛指一切意义上的变化，包括机械运动、物理运动、化学

7、运动、生物运动、思维运动和社会运动等等。 “运动状态”是指事物运动在空间上所展示的形状和形态，“运动状态的变化方式”是指事物运动状态随时间而变化的过程样式。,宇宙间一切事物都在运动，都有一定的运动状态和状态改变的方式，也就是说，一切事物都在产生信息。这是信息(在本体论层次上)的绝对性和普遍性。 而一切不同的事物都具有不同的运动状态和状态变化方式，这又是本体论层次上信息的相对性和特殊性。这是最广义的信息，是无条件的信息，在本体论层次的信息定义中，没有出现主体的因素。因此，本体论意义的信息与主体的因素无关。 任何事物都具有一定的内部结构，同时也与一定的外部环境相联系，正是这种内部结构和外部联系两者

8、综合作用，决定了事物的具体运动状态和状态变化方式。因此，可以把上述本体论层次的信息定义叙述得更为具体：本体论层次的信息，就是事物运动的状态及其变化方式的自我表述，也是事物的内部结构与外部联系的状态及其变化方式的自我表述，所以，为了获得一个事物的信息，就要同时了解这个事物的内部结构的状态及其变化方式和它的外部联系的状态及其变化方式。 本体论信息定义“事物运动状态及其变化方式的目我表述”中强调了事物的“自我表述”。这就是说，本体论信息是一种客观的存在，不以主体的存在为转移无论有没有主体，或者无论是否被某种主体感知，都丝毫不影响它的“自我表述”。这是本体论信息的一个非常重要的特征。,认识论层次的信息

9、定义,主体关于某事物的认识论层次信息，是指主体所感知(或所表述)的关于该事物的运动状态及其变化方式，包括这种状态/方式的形式、含义和效用。,本体论层次与认识论层次的信息定义对比,它们之间有着本质的联系，这表现在两者所关心的都是“事物的运动状态及其变化方式”。 另一方面，它门之间又有原则的区别，这表现在两者的出发点完全不同：前者从“事物”本身的立场出发，就“事”论事；后者是从“主体”的立场出发就“主体”而论事。 本体论层次信息定义之所以会转化为认识论层次信息定义，关键在于约束条件。 引入主体这一条件，本体论层次信息定义就转化为认识论层次信息定义；取消主体这一条件，认识论层次信息定义就转化为本体论

10、层次信息定义。,认识论层次的信息概念就具有了比本体论层次信息概念丰富得多的内涵,首先，作为认识的主体，他具有感觉能力，能够感知事物运动状态及其变化方式的外在形式；其次，他也具有理解能力能够理解事物运动状态及其变化方式的内在含义； 再者，他还具有目的性，因而能够判断事物运动状态及其变化方式对其目的而言的价值，而且，对于正常的人类主体来说，事物的运动状态及其变化方式的外在形式、内在含义和效用价值这三者之同是相互依存不可分割的。 因此，在认识论层次上来研究信息问题的时候，“事物的运动状态及其变化方式”就不像在本体论层次上那样简单了，它必须同时考虑到形式、含义和效用三个方面的因素。,事实上，人们只有在

11、感知了事物运动状态及其变化的形式、理解了它的含义、判明了它的价值，才算真正掌握了这个事物的认识论层次信息，才能做出正确的判断和决策。 把这样同时考虑事物运动状态及其变化方式的外在形式、内在含义和效用价值的认识论层次信息称为“全信息”，而把仅仅考虑其中的形式因素的信息部分称为“语法信息”，把考虑其中的含义因素的信息部分称为“语义信息”，把考虑其中效用因素的信息部分称为“语用信息”。 认识论层次的信息也是同时考虑了语法信息、语义信息和语用信息的全信息。,本体论层次信息定义和认识论层次信息定义是最基本的信息定义。 如果在认识论层次信息定义基础上再引入某种新的约束条件，那么，认识论层次信息定义将转化为

12、更低层次的信息定义；引入的约束条件越多，定义的层次就越低；由此就形成了信息定义的体系。 有了这个定义体系，现在流行的那些有关信息的种种说法就都可以在这个定义体系的相应层次上找到自己适当的位置。 人们研究信息科学，总是希望利用信息为人类(认识主体)服务。 因此，与认识主体相联系的认识论层次信息将受到特别的关注。,语法、语义和语用信息的关系,语法信息是最简单、最基本的层次； 语用信息是最复杂、最实用的层次； 语义信息介于其中。,1.1.2 信息的表现形态和载体形态,比较是认识和区分事物的一种重要方法。 为了把信息的概念掌握得更透彻，本节中将讨论信息的不同表现形态和载体形态。 具体地说，就是一些与信

13、息关系特别密切、因而很客易混淆的相关概念，包括消息、信号、数据、媒体、情报等。,在信息理论发展的初期，人们故意排除语义信息和语用信息的因素，先从语法信息入手来解决问题，这既是迫不得已的事情，同时又是明智的选择。 但不能总是停留在语法信息这个相对简单的层次，而应该继续深入地研究并解决语义信息和语用信息的问题。因为，语法信息只能解决通信工程这样一类问题(只关心传递的波形而不关心波形的含义和价值)，而凡是有智能、有“目的”的系统，都必然要涉及语义信息和语用信息的问题。 信息科学技术要有效地扩展人类信息器官的功能(特别是要扩展全部信息功能的有机整体智力功能)，就不能不利用包括语法信息、语义信息和语用信

14、息在内的全信息。,1.消息与信息,消息与信息的区别很小，消息大体上说可以是信息的俗称，信息是消息的学名。 如果说一定要有所区别，可以认为消息是信息的笼统概念，信息则是消息的精确概念。 所以，消息只有定性的描述没有数值计量的方法：而信息则不仅可以定性刻画而且还可以定量计算。可以说这是一个关于什么问题的消息，也可以说这是一个长消息还是短消息，是一个重要的消息还是一个一般的消息。但是，信息就不但有长短的区别、重要与否的区别和价值大小的区别信息还有信息量大小的区别。 由于信息可以定量测度，它的概念就比消息更细致了。,2.信号与信息,信号与信息的关系与上面的情况有所不同。 一般来说至少是在信息科学或其他

15、自然科学技术的场合，信号一定是主体范踌的概念，是人们用来记录、表示、显示或承载信息的手段，因此是第二性的东西。 信号是信息的载体，它所承载和表示信息的东西才是信息。一个表明信号与信息关系的非常直观的例子就是：对于同样一个后息，既可以用这种信号来承载和表示信息，也可以用那种信号来承载和表示信息。 至于具体采用哪一种信号来承载和表示，取决于具体的应用需要和当时所具备的条件。,3.数据与信息,数据的原意是以数字形式表达的信息。这种术语的由来与“数字”式计算机的应用有着非常密切的关系。 在数字计算机领域通常不使用“信息”这一术语，把信息统统叫做“数据”。但是，数据实际是记录或表示信息的一种形式，不能把

16、它等同于信息本身。 当然用数字来表达信息只是信息表示的一种形式而不是唯一的形式，世上存在着大量的非数据信息，如模拟信息、文本信息、语音信息、图像信息、图形信息等。 不过，由于计算机的应用越来越普遍，数据的概念已经广泛化，变成了与信息一样的概念。,4.媒体和信息,媒体的字面意义是“媒介物”或“中介物”。它的表征性作用是在不同的对象之间实现某种意义上的互相沟通。 与信息技术相关的媒体常见的有：文本媒体、声音媒体、图形媒体、图像媒体等。本来不易被人觉察的信息，嫁接到这些形式的媒体后就很容易被人感觉出来。 如果只利用上述一种媒体来表示信息，这种信息就叫做单一媒体的信息；如果同时利用多种媒体按照一定的技

17、术规则来表示信息，这种信息就叫多媒体信息。,5.情报与信息,情报是对某人或某集团具有特殊意义的情况报道。 最早的情报概念出现在军事领域，后来拓展到其他许多领域。情报也是一种信息，它应该属于认识论的范畴，因为情报一般都要经过人们主观的感知和判断。在这个意义上说，任何情报都一定是信息，而并非任何信息都是情报。 任何没有信息的情报就没有价值也就不称其为情报，因此，情报必须有信息； 并非所有信息都具有情报价值，因而不一定都能成为情报，只有那些具有特殊意义的信息才能成为情报。,1.1.3 信息的特征、性质和作用,信息有许多重要的作用，原因是信息具有很多特征和性质。 由于研究人员的背景和研究目的不同，所做

18、出的归纳也会各不相同。 在这里从信息技术的角度，介绍信息最重要和最基本的特征、性质和怍用。,1.信息的特征,第一特征：信息来源于物质，又不是物质本身；因此它从物质的运动中产生出来，又可以脱离源物质而寄生于它物质(媒体)，相对独立地存在。 例如，一个物体在运动它的运动状态及其变化方式可以被高速摄像机拍摄下来，经过一定处理又可以重现出来。产生这种运动状态及其变化方式的那个物体(源物体)可以离开观察者，但是它的信息却可以被记录下来并可以不断地被重现。保留下来的仅仅是信息，而不是它的源物质本身。正是由于信息具有这个特征，精彩的文艺节目才可以被复制下来供人们反复欣赏，太空的奇观才可以被拍摄下来供人们仔细

19、研究，激动人心的经历才可以记录下来供人们重温否则，这一切都将不可能实现。,第二特征：信息也来源于精神世界，但是又不限于精神领域。 事物运动既可以是物质的运动也可以是精神的运动(思维的过程)，那么，精神领域的事物运动也就成为信息的一种来源，如人的思想状态、情绪、意志、方针、政策、命令等。,第三特征：信息与能量息息相关，但是又与能量有质的区别。 作为事物做功的本领，能量提供的是动力来源；作为事物运动的状态及其变化的方式，信息提供的是知识和智慧的来源。因此，信息与能量都与事物的运动相关。不仅如此，传输信息或处理信息总需要能量支持，而控制和利用能量总需要信息引导。例如，在自动防空体系中，为了取得空间目

20、标的信息，需要有足够的能量来开动雷达系统；为了传递这个信息，要有相应的能量来支持通信系统的工作；为了导出导弹的发射状态参数信息要有能量来保证计算机正常运行。另一方面，控制和驾驭能量，使它发挥好的效用又离不开信息。例如上面提到的自动防空体系，若要使导弹能够命中目标，没有信息的引导是不可能的。,第四特征：信息可以被提炼成为知识，但信息本身不等于知识。 知识是人类长期实践经验的结晶，它与认识论层次的信息相通，但带有更加普遍、深刻和抽象的品格。例如，牛顿第二运动定律F=ma是物理学的知识，是对于这类事物运动的状态及萁变化规律的表述。在这个意义上可以说知识也是信息。但是，信息却不见得是知识，它不一定具有

21、普遍抽象的品格。因此，信息具有知识的秉性，但它本身不能够被称为知识。,第五特征：信息是具体的，可以被主体(人、生物、机器)所感知、提取、识别，可以被传递、存储、变换、处理、显示、检索和利用。 信息不是虚无漂缈的东西，也不是可以随意想象和“创造”的事物，具有非常具体和真实的品格。信息可以被感知，人的感觉器官就是专门用来感知信息的。人类和生物一时一刻也不能没有信息，否则就不能够有效地生存；信息不仅可以被感知而且可以被传递、被处理和被利用：应该指出的是，正是因为信息具有第四和第五持征它对于人类才具有如此巨大的意义。,第六特征：信息可以被复制，可以被共享。 由于信息可以脱离源事物而相对独立地存在，并且

22、承载于其他载体因此可以被无限制地进行复制、传播或分配给众多用户共享。一个信息持有者把他的信息传递给另一个用户的时侯，他自己所拥有的信息并不会丧失。正像教师把知识传授给学生以后，学生掌握了知识，但教师并不会因此而成为“白痴”。信息的这种特征，使它对人类具有特别重要的意义。物质和能量不能被共享：如果甲有一个苹果，乙也有一个苹果，那么，甲乙互相交换之后，甲还是只有一个苹果，乙也还只有个苹果；但是如果甲有一个信息，乙也有一个信息，那么，甲乙互相交换以后，甲和乙就都有了两个信息。,第七特征：语法信息在传递和处理过程中永不增值。 实际的情况是，不管复制多少份，也没有增加新的信息量。相反由于噪声干扰的影响，

23、由于复制、传递和处理过程中不可避免地存在误差或失真等，结果所得到的语法信息量只会减少。只有在理想复制(没有误差)、理想传递(投有干扰和失真)、理想处理(没有任何影响信息的操作)的条件下，才可能做到语法信息无损失。,2.信息的性质,根据上面的信息特征和信息的基本定义，可以推导出信息的一些重要的性质。,性质一 普遍性,信息是普遍存在的。 只要有事物的存在就会有它们运动的状态和状态变化的方式，也就存在信息。 无论在自然界、人类社会还是人类的思维领域绝对的“真空”和绝对“静止”的事物是没有的，因此，信息是普遍存在的。,性质二 无限性,在整个宇宙时空中，信息是无限的；即使是在有限空间信息也是无限的。 宇

24、宙时空中的事物是无限丰富的，因而它们产生的信息必然是无限的。 即使是在有限空间(比如在地球上)，事物也是无限多样的；而在无限的时间长河中，事物的发展变化更是无限的，因而信息也是无限的。,性质三 相对性,对于同一事物，不同的观察者所获得的信息量可能不同。 由于不同的观察者有着不同的观察能力、不同的理解能力和不同的目的性，因此，从同一个事物所获得的信息量将各不相同。,性质四 传递性,信息可以在时空中从一点传递到另一点。 由于信息具有脱离母体而相对独立的能力，因而就可以通过一定的方法使之在时间上或在空间上进行传递。 在时间上的传递称为存储；在空间中的传递称为通信。 其实，存储也是一种通信：现在与未来

25、的”通信”或过去与现在的“通信”。 当然，信息在空间中的传递必然也伴有时间上的传递，因为它在空间中传递的速度是有限制的。 这是一个十分有用的性质，它使人类的知识能够积累和传播，使人与人之间能够进行信息的交流。,性质五 变换性,信息是可变换的，它可以由不同的载体用不同的方法来承载和表示。 例如，投掷硬币这一试验的结果是一种信息，可以用数字0和1来表示，可以用电流极性的“正”和“负”来表示，也可以用机械位置的“高”和“低”来表示，甚至以表情上的“哭”与“笑来表示等。 实际上，只要能够保持“运动的状态及其变化的方式”的不变性，那么，信息就不仅可以在各种物质和能量形式之间进行变换，而且可以经受一切不会

26、破坏“信息不变性”的数学变换。 信息的这一性质使人们对信息施行各种各样的处理和加工成为可能。,性质六 有序性,信息可以用来消除系统的不定性，增加系统的有序性。 获得信息就可以消除认识主体对于事物运动状态和状态变化方式的不定性。 一个系统要想从无序状态转变为有序状态，必须从外界获得信息。,性质七 动态性,信息具有动态性质，一切活的信息都随时间而变化。因此，信息也是有时效、有“寿命”的。 事物本身在不断发展变化，因此，信息也会随之变化。 脱离了母体的信息因为不再能够反映母体的新的运动状态和状态变化方式，它的效用就会逐渐降低。这就是信息的时效性。 一旦信息已经不能反映母体实际的运动状态和方式，这个信

27、息的寿命就到了尽头，它至多只能作为母体的一种历史记录。 所以，人们获得信息之后不能一劳永逸。信息要及时发挥效用，知识要不断补充更新。,性质八 转化性,从潜在的意义上讲，信息可以转化。 在一定的条件下，可以转化为物质、能量、时间及其他。 信息可以转化，当然需要条件其中最主要的条件，就是必须被人们有效地利用。 显然，正确而有效地利用信息，就可能在同样的条件下创造更多的物质财富，开发或节约更多的能量，节省更多的时间。,3.信息的作用,信息是一切生物进化的导向资源。生物生存于环境之中而环境经常发生变化如果生物不能得到这些变化的信息，就不能及时采取必要的措施来适应环境的变化，就可能被变化了的环境所淘汰。

28、 信息是知识的来源。信息又是决策的依据园为信息可以被提炼成为知识，而知识与决策目标结合在一起才可能形成合理的策略。 信息是控制的灵魂。控制是依据策略信息来干预和调节被控对象的运动状态和状态变化的方式；没有策略信息，控制系统便会不知所措。 信息是思维的材料。思维的材料只能是“事物运动的状态及其变化方式”，而不可能是事物的本身。,当然，信息的作用还有很多没有列出。 需要强调的是，在所有这些作用之中，最重要的作用是：信息可以通过一定的方法被加工成知识，并针对给定的目标被澈话成为求解问题的智能策略，进而按照策略求解实际的问题。这是信息的最核心、最本质的作用。 信息知识智能(策略)，这是人类智慧的生长链

29、，或称为智慧链，人类认识世界和改造世界的一切活动都是在这个智慧链的支配下展开的。 因此只要能够充分发挥信息的这一项作用，人类就可以从信息科学技术的研究成果中受益无穷。 虽然人类在漫长的进化过程中一直都投有离开过信息但是只有到了信息时代的今天，人类对信息资源的认识、开发和利用才可以达到高度发展的水平。,辽宁石油化工大学计算机与通信工程学院,1.2 信息技术简述,1.2.1 现代信息技术的几种理解,信息技术的工作原理与信息过程是密不可分的。 信息过程是多种多样的。 在这里从研究信息技术的角度出发主要讨论典型信息过程。下图给出了典型信息过程模型。,典型信息过程模型说明,当主体要与对象(即系统)相互作

30、用的时候，主体通过获取信息和传递信息把对象的本体论信息转变为第一类认识论信息，通过处理信息来深入认识系统的运动状态和方式，形成知识，达到认知。 然后在此基础上“再生”第二类认识论意义的信息(策略信息)，后者就是指明如何把系统由初始状态转变到目的状态的控制策略；控制的作用则是执行策略信息，产生控制行为，引导系统达到预定的目的状态，完成主体对对象施行的变革。 上图所示的典型信息过程模型，正好也是人类通过自己的信息器官认识世界和改造世界这一活动的信息模型。 因此，上图的典型信息过程模型具有特别重要的意义，它把信息技术的研究和人类自身的信息过程天然地联系了起来，使人类自身信息过程和信息技术研究两者交相

31、辉映，相得益彰。,1.2.2信息技术的基本定义,概括地讲，凡是能扩展人的信息功能的技术，都是信息技术。 信息技术在整个国民经济中处于十分重要的地位。 它与生物技术、航天技术、新能源技术、新材料技术等，都被视为是20世纪的重大科技成果。 在21世纪，它将扮演更为重要的角色。,l.2.3信息技术体系,信息技术体系主要是指利用电子计算机和现代通信手段，实现信息的获取、传递、存储、处理、认知、决策、控制等的相关技术。,信息过程的子过程,第一个子过程是“信息获取”，其任务包括信息的感知和识别。信息感知是指对事物运动状态及其变化方式的敏感和知觉，这是获取信息的必要前提。但是仅感受到还不够，必须有能力把它表

32、示出来，即识别。 第二个子过程是“信息传递”，它的任务包括信息发送、传输和接收等环节，完成把信息从空间(或时间)上的一点传送到另一点的任务。这就是一般意义上的通信(或存储)过程。 第三个子过程是“信息处理”。人们若想利用信息来解决问题，就必须对其进行适当的加工和处理，这就是信息处理过程。 第四个子过程是“信息认知”。经过处理的信息，可以从中提炼出相关的知识。这就是“认知”过程。也就是说，信息处理的最终目的是为了获得知识，实现认知。 第五个子过程是“信息决策”。人们需要知识的目的在于解决实际问题。这就需要求解问题的策略。怎样利用知识制定策略是“信息决策”技术的研究内容也被称为“信息再生”。 最末

33、一个环节是“信息施用”。它是信息最终发挥效用的过程。信息的施用有很多不同的表现形式，其中最重要的是通过调节对象事物的运动状态及其变化方式，使其处于预期的运动状态，这就是控制。,有关信息过程的说明,在上述信息过程中，“信息认知”和“信息决策”两者共同构成了信息过程的核心，通常称为“思维过程”，也被称为“狭义智能”，因为的确知识和智能策略都是在这里产生的，然而，一个“完整智能”，或者转为“全义智能”，却应该包括全部的信息过程，在这个过程中，“信息认知”和“信息决策”(狭义智能)是核心； “信息获取”和“信息施用”是核心与外部世界之间的两端接口； “信息传递”和“信息处理”是把内部核心和外部接口组织

34、成为有机智能体的纽带和灵魂。,研究信息运动基本子过程的信息技术,信息的获取技术：感知与识别产生第一类认识论信息。 信息的传递技术：通信与存储传递第一类认识论信息。 信息处理技术：为了便于把信息转变为知识以及便于信息的施效，对信息进行某些适当的分析、比较和运算。 信息的认知技术：探索各种有效的机制对信息进行加工，从大量原始的信息中抽象出具有普遍意义的科学本质，成为可供人们使用的知识。 信息的决策技术：综合决策把知识激活为第二类认识论信息(智能策略)。 信息的施用技术：控制与显示把智能策略转化为智能行为。,辽宁石油化工大学计算机与通信工程学院,1.3信息技术的工作原理,1.3.1信息获取技术,信息

35、获取技术包括传感技术和信息检索技术。信息获取的过程如下图所示。 研究信息获取过程的就是信息获取技术。 分析表明，信息获取过程又可以分为两步，即先感知，再认识。 由此信息获取技术主要包括信息的感知技术和识别技术，而感知和识别的过程要实现自动化和智能化，机器学习又是必不可少的技术。,1.机器感知,信息获取的首要环节是信息的“感知”。 机器感知的基本机制在于要有某种组织或器件，能够在某种事物运动状态及其变化方式的刺激下产生相应的响应，而且，这种刺激与响应关系应该满足一定的条件，如具有一定的敏感域(感受度)、敏感度(灵敏度)、保真度(可信度)。 人的感觉器官在感知外部信息方面具有十分精巧的工作机制，但

36、也存在一些天然的缺陷。例如，视觉器官的敏感域只在可见光范围之内，无法直接感知红外或紫外光范围的信息；听觉器官只对声频范围的信息有响应能力，无法直接感知次声波或超声波范围的信息等。 这些信息对于人类的生存与发展以及社会的进步都具有重要的意义。因此，阐明信息感知的原理，研制具有更优异性能的人工感知系统是一项迫切的任务。,信息感知过程和实现技术,第一，信息感知系统由敏感单元和表示单元构成。敏感单元对事物运动的状态及其变化方式高度敏感，能够产生实际响应；表示单元则把敏感单元的输出通过适当的方式表示出来，便于观察、处理和利用。 第二，针对不同事物研制出不同的敏感单元，以获得尽可能高的敏感度、分辨率和保真

37、度。 第三，由于电信号和光信号的处理技术比较成熟，表示单元往往都把敏感单元的输出响应转换为电信号或光信号的表示形式，在这个意义上，表示单元可以被理解为“换能器”，非电(光)变化转换为电(光)变化。 第四，在复杂情况下，如果“事物”产生的运动以某种复合方式表现信息，如：可视的、可闻的、可嗅的。那么，为了感知这些信息就需要采用多种传感器，并对各种传感器的输出进行适当的综合或融合，这就是分布式综合感知群。,信息感知技术的基本原理,第一，信息源可以通过与其他事物的相互作用而被该事物所感知，条件是后者对前者的运动状态及其变化方式敏感。 第二，信息感知的实质是本体论信息同第一类认识论信息的语法信息的转换，

38、它的技术本质是事物运动状态及其变化方式的载体转换。 第三，无论怎样精巧地设计信息感知系统，它的输出信息量都不可能超过输入信息量，这是信息获取领域的信息不增原理。,2.信息识别,信息识别是在信息感知的基础上进行的一项操作，它的基本目的是要对所感知的信息做出判断：所感知的信息是所希望的信息还是不需要的信息；如果是所需要的信息，究竟是属于哪一类信息。因此，信息感知是要解决“是否有信息存在”的问题，而信息识别则是要解决“存在着的信息是哪一类信息”的问题。 识别是在感知的基础上展开的，而感知系统输出的又是语法层次的信息，因此，信息识别(特别是简单的信息识别)只能是基于语法信息的识别。 机器信息识别系统只

39、能识别“模板”的形式，而不能识别它们的内容和价值。 为了能够有效地实现，往往不是原封不动地把感知系统输出的语法信息与模板进行比较，而是把能够表征这个语法信息的一组形式化参量(特征)提取出来与相应的特征模板进行比较，根据它们之间匹配情况的差别来判断该信息所应归属的类别。这正是现代模式识别技术所研究的基本问题。,信息识别技术的基本原理,第一，语法信息识别的基本原理是信息特征的比较，不同类别的信息，其特征也不相同。因此，只要把握了类别特征，原则上就可能准确识别。 第二，识别的准则是：相似而认同，相异而排除。因此，建立信息类别相似性的表示和度量是信息识别的关键。 第三，由于环境存在干扰，待识别的信息不

40、理想，以及信息类别相似性的表达不完善等，无论怎样设计信息识别系统，理想的识别是不存在的。 第四，更为有效的信息识别方法，是对全信息的“理解”。,3.机器学习,机器学习是一种比较高级的形式，可称为智能型信息获取系统。 理想的机器学习应该能够使系统根据自身的目的和环境条件，自动地从环境中获取那些有利于达到目的的信息，为此，必定是某种能够利用“全信息”的系统。 一般而言，系统理解和利用全信息的能力越强，它的学习能力也越强。 当然，这并不意味着不能利用全信息的系统就是不可能具有任何学习能力，只是它们的学习能力低下而已。,学习系统模型,感知系统感受到信息后，产生相应输入给学习与决策系统。 后者根据目的需

41、求从这些输入中选择适当的信息进行加工，形成相应的策略，然后据此控制环境的变化调节自身的状态，以便达到预期的目的；若不能达到目的，就要重复上述过程，直到达到目的为止。,如果把上图的“环境”模块理解为与Internet连接的海量数据库，把“感知”模块理解为“搜索蜘蛛”，那么，这个模块其实就成了“搜索引擎”的工作模型。 “目的”可以理解为用户输入的“关键词”，而“学习与决策”模块就是计算由“感知”模块输入的信息与这些关键词之间的相关程度。 当相关程度超过预定值时，“环境”所提供的信息就可以被反馈给用户。 这样，只要用户输入一组适当的关键词，搜索引擎就可以在Internet的数据库中搜索出信息。 显然

42、，“学习与决策”模块的质量将制约整个搜索引擎的性能水平，特别是其中的“相关程度”是否能够真实地反映所搜索的信息就是用户所需要的信息。,为使“学习与决策”模块能够利用全信息，要为其配置“知识库”和“理解子系统” 。 知识库存有大量的语法、语义和语用信息，就像一部大辞典。在多数情况下，一种语法信息在不同语用信息作用下可能得到不同的解释，正像一个字具有多种含义一样。因此需要有一个“理解子系统”来判定哪种解释更合理、更有用。判断方法是计算语义和语用信息的信息量，然后选取具有最大语义和语用信息的信息量的那个解释。,机器学习技术的基本原理,第一，机器学习系统必须设置明确的目的。为了指导学习的方向，必须有反

43、馈机制，以便通过学习效果与学习目的的比较改进学习的性能。 第二，机器学习系统必须应该充分利用全信息，使系统能够理解学习的“目的”，并根据全信息做出学习的性能判断。 第三，在不能利用全信息的情况下，机器学习就只能采用“大量统计”和“随机凑试”的技术途径。这是目前大多数机器学习的共同特征。,1.3.2 信息传递技术,信息传递技术主要包括两种： 信息在时间上的传递（或转移）信息记录和存储（信息处理）技术； 信息在空间中的传递（或转移）通信技术。 通常所说的信息传递技术主要是指通信技术。 通信技术是迄今为止发展最成熟、最成功的信息技术分支，通信的最简单明了的定义，就是信息在空间中的传递或转移。 研究信

44、息传递技术的主要目的，在于认识信息在传递过程中所必须采取的方法和原则，并揭示信息传递的某些重要性能的界限，从而为研究信息传递理论和设计实际通信系统提供理论上的指导。 这是仙农信息论最杰出的贡献，人们至今还在享受着这一成就所带来的巨大利益。,1.传递模型,信息传递至少必须包含如下一些事物、环节和过程： 产生某些运动状态和方式（信息）的事物，称为信息源，简称信源。 把“运动状态和方式”映射为信号的过程，通常称为变换。 信道是指载体能在其中进行时空转移的媒质或设施。不管载体本身在信道中会经受什么样的改变，在信道输出端都应该能够还原出满意的信息。 信息的接受者，简称信宿，是信息传递的目的和归宿。,信号

45、在信道中传输会受到噪声的干扰，为使最终还原出来的信息V尽可能和信源输出的信息U一致，在“反变换”单元中要采取适当的措施。 通常，“变换”单元在功能上包括信息到信号的映射（即换能）、放大、编码、调制等内容，以实现信源与信道在性质上的匹配。这样，就可以得到一个更具体的信息传递模型，如下图所示。,信息传递技术的主要研究内容,信源的统计性质及其产生概率型语法信息的能力。 信道噪声的性质及信道通过信息的能力；信道噪声是指售息在信道传输过程中所受到的各种各样的干扰。 信源与信道的关系以及实现这两者在性质上互相匹配的原理和方法。,2.有效通信,一方面，各种实际信源的信息含量效率各不相同； 另一方面，人们总是

46、希望信息传递的效率尽可能高。 为此就要对信源进行改造，使原有信息含量的效率尽可能提高(单位时间或单位符号所传递的信息量尽可能大)。 这就是信源编码问题。仙农第一编码定理证明了离散无记忆无噪声平稳信源存在有效编码方法。 人们可以通过编码来提高信息传递效率，而不会引起信息失真。,3.可靠通信,一方面，信道中必然存在噪声，因而信道传递信息的能力肯定会降低。 另一方面，在有噪声存在的信道中传递信息，难免会发生差错。 仙农在理论上证明：即使信道存在噪声，只要通过足够复杂的编码仍然可以使信息传递的速率达到或接近信道的最大可能通过能力信道容量的数值，并且传递的差错率逼近于零。这就是著名的仙农第二编码定理。

47、这种界限信道容量，具有重要的指导意义。 一方面，它告诉人们什么是通过努力可以做到的，什么是不可能做到的。对于有可能做到的才应该去争取，而不可能做到的就不要耗费人力、物力和财力去追求了。 另一方面，这个结果可以用来评价一个实际信息传递系统质量的优劣：看它的信息传输速率在什么程度上接近于信道容量，看它的译码差错率在什么程度上接近于零，还有多大的技术潜力等。,4.最佳接收,由于信道的输出Y包含了噪声N的附加作用，反变换不能也不应该是变换T的简单的求逆过程，而应该是明辨是非并具有决策能力，把有用的信息从混杂噪声的信号中提取出来。这就是最佳接收问题。 在实际应用中，人们不仅要研究按照某种决策规则进行决策

48、时所造成的差错率的大小，更要研究各种可能的决策差错所造成的损失。倘若发生决策差错并不引起任何损失，那么这种差错就无所谓了。 由决策差错所造成的平均损失最小，就是最佳决策规则。,信息传递技术的最根本要求,信息传递技术的最根本要求就是尽可能高效率、高质量地传递信息。如果考虑到实际的实现，还要进一步考虑低成本、易操作等方面的要求。 通常这些要求之间是互相矛盾的。传递效率的提高，往往以牺牲传递质量为前提；提高传递质量则往往要牺牲传递的效率；而如果既要高效率又要高质量，就会导致增加技术复杂度，使成本昂贵。 信息传递基本原理的意义，就在于提供了一套严格的方法来处理这些矛盾。仙农信息论澄清了长期以来在人们头

49、脑中存在的一些模糊观念，揭示了通信有效性和传输可靠性的可以达到(但不可逾越)的界限，展示了令人鼓舞的前景。,1.3.3信息处理技术,按照广义的理解，一切为更好地利用信息而对信息本身所施加的各种操作过程，都可以称为信息处理。 在这里分成两个层次和10种类型来介绍。,第一层次：表层信息处理,为了便于对信息进行操作的处理 为了快速流通而进行的处理 为了保存信息而进行的处理 为了实现共享而进行的处理 为了使于检索而进行的处理,第二层次：深层信息处理,为了提高效率而进行的处理 为了提高抗干扰性的处理 为提高信息纯度而进行的处理 为提高安全度而进行的处理 为了提高可用度而进行的处理,1.3.4 信息认知技术,信息认知技术就是由信息提炼成知识的技术。 信息认知技术所关心的问题是，探索各种有效的机制，对信息进行“去粗取精，去伪存真，由表及里，由此及彼”的加工，从大量原始的信息中抽象出具有普遍意义的科学本质，成为可供人们使用的知识，也可以将其称为知识论。 仙农信息论和人工智能理论分别在20世纪40年代和50年代问世，知识论却长期无人问津，成为一段空白。这种状况在信息论和人工智能理论发展的初期似乎并没有造成