從系統(tǒng)科學看信息科學研究

1、從系統(tǒng)科學看信息科學研究姜璐（北京師范大學管理學院系統(tǒng)科學系）隨著計算機技術的發(fā)展，系統(tǒng)科學等很多基礎學科研究的內容、方法都發(fā)生了很大變化。上世紀60-70年代，由普利高津、哈肯等人提出的自組織理論12，利用微分方程討論簡單巨系統(tǒng)演化，已經(jīng)得到很好的結果。近來人們把注意力轉移到復雜系統(tǒng)的演化問題上，美國圣菲研究所提出利用智能體（Agent）研究復雜適應性系統(tǒng)3，錢學森等人提出利用綜合集成方法研究開放的復雜巨系統(tǒng)4，都逐漸成為研究的熱點。生命科學完成了人類基因圖譜的繪制，對蛋白質組學的研究也正在深入展開。非線性所涉及的混沌理論、分形理論由于計算機的使用獲得了巨大的發(fā)展，并已經(jīng)深入到很多學科的研究

2、中?；鹦翘綔y計劃、大型水利樞紐建設、人居環(huán)境改造工程等很多大型的工程項目，正在從設想、規(guī)劃變成當前的工作任務。在這中間我們發(fā)現(xiàn)信息的作用越來越大，控制一個系統(tǒng)的演化主要不是依靠能量，而是依靠信息，現(xiàn)代社會的運行依靠信息，蛋白質的合成依靠信息，大型工程項目的實施還是要依靠信息，雖然我們對信息目前還沒有一個很清楚的認識。另一方面，能源消耗越來越大，人們希望能盡量少消耗能量，利用更經(jīng)濟的手段操縱、控制系統(tǒng)的演化，提高經(jīng)濟效率，這也使得人們更關心信息，尋找減少決策失誤、增加決策科學性的辦法。信息、信息科學正成為關注的熱點，人們希望通過信息來增加生產、提高效率，通過信息探討復雜系統(tǒng)的演化秘密，解決科學的

3、某些基本問題。計算機技術的發(fā)展，也使得深入研究信息概念成為可能，人們只有通過對海量信息的傳遞、復制、存儲等處理，才有可能發(fā)現(xiàn)信息的普遍特點和規(guī)律。特別是利用信息對特大工程的控制、對數(shù)據(jù)信息的知識挖掘，才能了解信息的真正內涵和特點。一、從系統(tǒng)科學角度研究信息眾所周知，面對統(tǒng)一的客觀世界，不同的學科有不同的研究角度、不同的研究側面，采取不同的研究方法。系統(tǒng)科學研究信息也將按照系統(tǒng)科學的方式、辦法進行研究。系統(tǒng)科學從整體與局部的關系角度研究客觀世界，形成了自己學科的特點。系統(tǒng)科學是模型科學，針對客觀世界，把系統(tǒng)按照其復雜程度分成簡單系統(tǒng)、簡單巨系統(tǒng)、復雜適應性系統(tǒng)和開放的復雜巨系統(tǒng)幾類，每一類都是一

4、個模型，每一個模型都有自己的特點和特定的數(shù)學解決方法。系統(tǒng)科學對信息的討論，就是討論各類模型中信息的具體定義，信息在各類模型演化過程中所起的作用。我們將把信息放到具體的模型中進行討論。系統(tǒng)科學研究的對象是系統(tǒng)，任何客觀對象都作為一個系統(tǒng)進行研究，選定系統(tǒng)以后，需要分析系統(tǒng)與環(huán)境的關系，分析在一定環(huán)境條件下系統(tǒng)演化的規(guī)律。系統(tǒng)科學研究信息也要把信息作為系統(tǒng)進行研究；同時由于信息的特殊性，在研究中信息多是作為控制系統(tǒng)演化的因素，在系統(tǒng)科學中也從控制的角度來研究信息，通過分析受到信息作用的系統(tǒng)演化的特點來了解信息的性質。系統(tǒng)科學討論整體與局部的關系，必然要把系統(tǒng)分成若干層次，對不同層次的系統(tǒng)往往要采

5、用不同的分析方法。由于不同層次之間會涌現(xiàn)出新的性質，系統(tǒng)科學也研究層次之間的關系，研究如何出現(xiàn)涌現(xiàn)，如何控制涌現(xiàn)等等。當前系統(tǒng)科學主要研究復雜適應性系統(tǒng)和開放的復雜巨系統(tǒng)兩類對象，在這兩類系統(tǒng)中，組分之間的相互作用非常復雜，環(huán)境與系統(tǒng)之間的作用也非常復雜，對這樣復雜的系統(tǒng)進行研究，人們發(fā)現(xiàn)組分之間、系統(tǒng)與環(huán)境之間能量、物質的作用已不太重要，而它們之間的信息作用、信息控制確是十分重要的。系統(tǒng)科學已經(jīng)把對信息的研究放到很重要的位置上。系統(tǒng)科學要研究復雜系統(tǒng)演化，研究復雜適應性系統(tǒng)、開放的復雜巨系統(tǒng)的演化。復雜適應性系統(tǒng)模型中的子系統(tǒng)多是智能體（Agent），它要適應環(huán)境，通過學習改變自己的性質；如

6、果從控制的角度來看，就是信息控制，環(huán)境通過信息來控制智能體，智能體之間通過信息形成協(xié)調一致的整體性質。在計算方法上，通過計算機程序，用規(guī)定的算法表示系統(tǒng)內以及系統(tǒng)與環(huán)境之間的信息傳遞。對于由人組成的開放的復雜巨系統(tǒng)，更需要利用信息來分析系統(tǒng)的演化行為。這類系統(tǒng)中人與人之間的聯(lián)系與物質、能量沒有太大關系（它們只是作為信息載體的作用），主要依靠信息，而且這里所談的信息幾乎全是符號信息，是用語言、文字表示的信息，離開了語言、文字根本無法對人類社會的演化進行研究。在過去探索簡單系統(tǒng)的演化規(guī)律，尋找少數(shù)變量之間的關系，可以通過實驗測量，記錄數(shù)據(jù)進行分析?，F(xiàn)在要處理成百上千的變量，要研究這些變量之間的關系

7、，已經(jīng)不再是諸如正比、反比這樣簡單的關系，僅僅依靠人腦思考、手工列表記錄根本完不成任務，必須依靠計算機建立數(shù)據(jù)庫來完成。利用計算機的功能對信息進行處理，是現(xiàn)在很多學科研究的方法和手段。隨之而來的生物信息學、醫(yī)學信息學、工程信息學等新的學科分支相繼出現(xiàn)，它們要對影響系統(tǒng)演化的大量因素，進行記錄、存儲、分類、形成的專門的研究內容，有人稱之為計算機科學，各個學科的專家則稱之為某某學科信息學。從信息科學的角度，計算機只是作為研究信息的一種工具、手段，處理信息還可以通過其他手段，而且計算機還可以進行其他方面的應用。因此，正確地說法應該是它們屬于信息技術學，各門學科對信息的處理也構成現(xiàn)代科學研究的一個特點

8、。二、從物質、能量、信息關系了解信息系統(tǒng)科學把物質（質量）、能量、信息作為三位一體的概念體系來研究，通過比較三者之間的異同來認識信息。質量、能量、信息（這里是指物理、化學等無機界的自然信息，本體論層次的信息；關于語言、文字等包含的信息，及這些信息之間的關系，在后面專門進行討論）都是物質（研究對象）的一種屬性，是我們對客觀世界的一種描述。質量是指客觀對象包含物質的多少，是對象的一種性質，從量上來衡量對象的性質，通常采用質量數(shù)值、比重來定量衡量包含物質的多少。質量與對象的慣性有著緊密的聯(lián)系，也把質量稱為是對對象慣性的量度；質量其實可以通過兩種渠道進行測量：慣性和引力，并把它們分別稱為引力質量與慣性

9、質量，而且通過兩種渠道得到的兩種質量是相等的，即慣性質量=引力質量通過研究還發(fā)現(xiàn)一個系統(tǒng)的質量是不會隨便改變的，一個系統(tǒng)物質減少了，另一個系統(tǒng)的物質必然增加，而且從量上來講，增加與減少是相等的，稱之為物質不滅定律。能量是系統(tǒng)運動能力大小的量度，進一步，往往利用系統(tǒng)運動來為我們服務，通常稱為做功，能量還被稱為系統(tǒng)做功本領的大小。能量也是系統(tǒng)的一種屬性，是運動的量度。能量作為物質的屬性，與質量的區(qū)別之一在于它是一類物理量的總稱，它包含機械能、熱能、電磁場能、原子能等。物理學的領域中各種形式的能量可以互相轉化，各種形式能量的總量在轉化過程中保持不變，稱之為“能量守恒與轉換定律”。進一步人們又將能量形

10、式擴展到化學能、生物能、人的智能、潛能等，把它應用到很多領域，并且認為所有這些形式的能量都遵守“能量守恒與轉換定律”。能量概念提出以后，不僅使我們對系統(tǒng)的描述有了很大進步，而且被應用到對系統(tǒng)的分析。子系統(tǒng)的相互作用是系統(tǒng)演化的動力，對不同系統(tǒng)提出了各式各樣的力：物理中有萬有引力、電磁力、強相互作用力、弱相互作用力；化學中提到的離子鍵、共價鍵等，也是對結合成分子時原子之間的相互作用力的描述；生物學、社會科學中也大量使用力的概念。這些都可以統(tǒng)一看成能量概念的具體應用。能量概念提出以后，從改造客觀世界方面的另一個應用，是開展了對控制論的研究?？刂普撌菍ο到y(tǒng)輸入一個較小的能量，使系統(tǒng)按照我們的實際需要

11、輸出較大的能量，且輸出的能量滿足我們的要求。由于輸入的能量很小，在控制論中不太考慮控制系統(tǒng)的效益，而把注意力集中在如何使系統(tǒng)的輸出盡可能地滿足需要。從質量、能量、信息的角度來看控制論，可以說它們都可以對系統(tǒng)進行控制，在初期多采用物質控制、能量控制，是比較簡單的控制，。要讓系統(tǒng)滿足我們的復雜要求，使系統(tǒng)演化比較復雜，就需要采用信息控制，下面將對此進行適當?shù)姆治觥Ｐ畔⒁彩窍到y(tǒng)的屬性，從直覺的角度來看，系統(tǒng)的很多屬性都可以看成信息，某些專家甚至說“系統(tǒng)的狀態(tài)變量就是信息”5，“事物的運動狀態(tài)及其變化就是信息”6，對此我認為是有一定道理的。系統(tǒng)組成成分的性質、它們之間的比例、相互位置關系、連接方式，系

12、統(tǒng)的形狀、結構、功能等等，都可以當成信息。質量只是描述系統(tǒng)包含物質多少的一個物理量，能量的種類可以很多，信息包含的內容更多，信息是一大類量的總稱，它甚至可以包含質量、能量，質量、能量也可以看成信息。考慮到對系統(tǒng)的認識，考慮到實際的認識過程，我們強調在傳遞過程中不變的那些狀態(tài)變量可以看成信息，這是因為在傳遞過程中改變的狀態(tài)變量無法進行復制，無法讓我們認識該系統(tǒng)7。在不同的學科里，面對不同的客觀對象，信息的含義是不同的，在其中的作用也是不同的。在物理學里，質量、能量在分析系統(tǒng)運動中起的作用更大，一些描述系統(tǒng)狀態(tài)的變量都有各自的名稱，它們的性質、作用也十分清楚，沒有必要再引入信息概念（現(xiàn)在將信息作為

13、一個基本、統(tǒng)一的概念，也需要分析在物理對象的信息問題）。而在生物學中，特別在分析蛋白質的復制，形成生命體的過程當中，就特別需要利用信息概念，通過信息來解釋它們的演化過程。因此，在各門學科內都分門別類研究信息，形成各門學科信息學。它們?yōu)榻y(tǒng)一信息概念提供了大量的豐富材料。但是各門學科對信息的理解、定義不完全一樣，現(xiàn)在也需要給出一個統(tǒng)一的認識，以便促進各個學科信息學的發(fā)展。從對描述系統(tǒng)、認識系統(tǒng)來看，復雜系統(tǒng)研究看重的不是系統(tǒng)內子系統(tǒng)數(shù)量的多少，而是子系統(tǒng)之間的關系，看重系統(tǒng)的結構，看重系統(tǒng)的功能；從建立和管理系統(tǒng)來看，更看重對系統(tǒng)的控制，看重如何建立系統(tǒng)內部的協(xié)調機制。完成上述目的都必須了解“信息

14、”，系統(tǒng)的結構、功能，相互之間的關系都是系統(tǒng)本體論的信息；現(xiàn)在的系統(tǒng)控制不再是簡單的能量控制，而是信息控制。從控制量來看，例如已經(jīng)從聲強控制變成了聲調控制；從被控制系統(tǒng)來看，它也不是考慮能量的轉化、能量守恒，而是在于對控制量的識別、復制、保存，在于使系統(tǒng)按照控制量給定的結構、功能進行演化?？梢园褜碗s系統(tǒng)的控制論暫且定名為信息控制理論，它與傳統(tǒng)控制理論不同，需要重新建立。我們認為，信息控制理論的建立可以從自組織控制受到啟發(fā)。三、現(xiàn)代科學要加強信息科學研究質量、能量、信息三者都是系統(tǒng)的狀態(tài)變量，都對我們了解、認識系統(tǒng)起很大作用。但它們一個比一個更抽象，一個比一個包含的內容更豐富。而且隨著科學研究

15、的深入，隨著研究對象復雜性的增加，信息的作用越來越重要。如果說20世紀是能量的時代，那么21世紀將是一個信息的時代?，F(xiàn)代科學必須加強對信息、信息科學的研究。信息包含的內容很廣，在人們研究各個學科信息的同時，也需要對所有信息遵從的普遍規(guī)律進行研究，而且理論研究將會推動人們對各個學科信息的理解。但是我們還是認為現(xiàn)在應該優(yōu)先發(fā)展各個學科的信息學。從系統(tǒng)科學來看，學科信息學（領域信息學）是促進信息學科發(fā)展的技術學科，各個學科的信息學，比如生物信息學、地理信息學、人體信息學、化學信息學、地質信息學，它們面對的研究對象比較具體，其信息內涵比較窄，容易進行討論。而且這些學科研究的對象都比較復雜，從各學科對信

16、息研究的成果來分析有一定的共性，有利于將來從中總結出有關信息的基本問題。而對理論信息的研究，要著重在將所有信息統(tǒng)一，要對信息進行分類，討論在各個系統(tǒng)中信息的共同性質。我們認為，近期不可能完成這一任務，因為各個具體信息還沒有了解清楚。現(xiàn)在各個學科領域還有不少專家從事信息處理、數(shù)據(jù)挖掘等方面的工作，這些技術工作，不屬于理論信息學的范圍。他們的工作也非常重要，這里不是要談對技術、經(jīng)濟等實際方面的重要作用，而是說對理論信息學也非常重要。信息概念的深入理解，不能只靠哲學的思辨，更要靠各個學科在對具體信息的處理過程中發(fā)現(xiàn)信息的基本性質。我們目前正在進行這方面的工作，也提出了文章與大家進行交流89。宇宙信息

17、學家提出宇宙最初是由信息組成，討論宇宙起點的信息，討論信息、能量、物質之間的轉化問題等等非常誘人的課題10。我們對此有不同的看法，認為大爆炸宇宙演化理論雖然理論上可以自洽，實際上也有一些支持的例子，但終究還沒有獲得科學界的公認，只能還是一個假說，在這個基礎上來討論上述基本問題當然很難得到統(tǒng)一的研究成果。少數(shù)人進行前瞻性的探索是可以的，更多的人、特別是一些年輕人不應把大部分精力放在對這里。更多的自然科學、人文科學、社會科學、哲學等不同領域專家應深入研究各自領域的信息問題，解決該領域有關信息的定義、性質、特點、手段等問題，同時更注意交流、溝通，借鑒其他領域的新成果加快本領域的研究。這次學術交流會就

18、是為了這樣一個目的。建立起不同學科之間的聯(lián)系，最終統(tǒng)一概念，才有可能成功，才能建立起理論信息學。四、要特別注意區(qū)別自然信息和“語言、文字”信息信息是各個學科普遍使用的概念，很多人都在談論信息，但談論的內容卻不一樣；人們往往不區(qū)別信息和信息載體，不區(qū)別信息、消息、數(shù)據(jù)、知識等類似概念，有時也確實無須加以區(qū)別。這里要強調的是，僅在研究自然科學領域，信息概念在不同學科領域就有不同的內涵，各學科對信息的認識也不同：物理物質的形態(tài)是信息，化學物質的組成、結構是化學家討論的信息，生物遺傳的編碼、染色體的數(shù)量、基因圖譜等是生物學家關心的信息，到現(xiàn)在還未統(tǒng)一。然而，生產實踐急需對具體學科信息深入研究，要求不斷

19、發(fā)展信息處理技術，以適應學科發(fā)展的需要?，F(xiàn)在各門學科還未能提供足夠的成果進行總結、歸納，還沒有辦法提出一個所有學科專家都接受的統(tǒng)一概念，所有“信息”都滿足的演化規(guī)律。在進行信息統(tǒng)一規(guī)范的時候，特別需要區(qū)別兩類信息：一類是系統(tǒng)本身具有，或稱反映的信息，它是系統(tǒng)本身特性的體現(xiàn)；另一類多是通過語言、文字反映出來的信息，通常是按一定規(guī)則進行對應、轉換了的信息（稱為語言文字信息）11。系統(tǒng)本身的信息通常是對系統(tǒng)性質的描述，前面所說“系統(tǒng)的狀態(tài)變量就是信息”，指的就是這類信息。在不少學科中，沒有采用信息的概念也已經(jīng)研究得比較深入了。在物理學中，聲音的頻率、物體的形狀、顏色等都屬于此列。物理學沒有利用信息概

20、念，對它們已經(jīng)研究得很清楚了，這也是不少物理學家拒絕承認信息的原因。對于語言文字信息則不然，對于它們我們不再關心語言的聲音頻率，而關心它的內容，對文字也不關心它的圖形，而是文字的內容。比如，“3”、“III”、“三”、“three”的形狀雖然不一樣，但給我們的主要信息一樣的，都表示數(shù)字“3”。應該說，這里的信息是人們經(jīng)過學習才獲得的。人們建立了規(guī)則，規(guī)定上述四種形式的圖形表示同一種信息，并使得大家了解和認可同一種規(guī)則，才使得它們代表一種信息。人在進行思考和交流的前提是大家要有共同的思維載體，即從語言、文字中得到的信息是一樣的。小孩子學習首先就是學習對信息的了解，學習某一特定的聲音、圖像載體表示

21、（荷載）什么信息。外語的翻譯實際就是建立同一信息不同表述之間的聯(lián)系，當外國人沒有關于“陰陽”、“氣功”等信息時，我們就可以規(guī)定一種與中文聲音是一樣的發(fā)音，作為它們信息的載體。在研究語言、文字的信息時，特別需要注意對思維科學的研究。現(xiàn)在有一些對信息的研究實際上是研究思維，涉及到概念、推理、邏輯思維、形象思維等思維科學的概念。思維的主體是大腦，對象是信息，但思維科學與信息科學是不同的。把對信息的研究成果，即使是對語言文字信息研究的成果，自動移植到思維科學中也是不合適的，會引起混亂；對于思維科學的成果，也不能認為就是對信息的認識。作為學科信息學，對思維信息的研究，將信息與思維聯(lián)系起來進行研究，分析它們之間的關系，在過去思維科學研究的基礎上，從新的角度分別對思維主體大腦，思維對象信息，思維過程相互關系等進行研究，分析它們的區(qū)別、聯(lián)系，不僅會促進思維科學的發(fā)展，也是理論信息學研究的一個方向?！军c評一】從系統(tǒng)的角度分析物質（質量）、能量、信息，三者都是系統(tǒng)的狀態(tài)變量，但是質量、能量、信息一個比一個抽象，一個比一個內涵豐富。特別是開放的復雜系統(tǒng)，信息是不可或缺的。由此也可推斷，物理學中所有的狀態(tài)變量都已經(jīng)確定，信息的引入無關緊要，但是并不意味著物理學中沒有信息。（馬藹乃）【點評二】把信息看成系統(tǒng)現(xiàn)象，從系統(tǒng)科學角度研究信息，對系統(tǒng)科學的進一步發(fā)展很意有義。但“質