以觀測者視角考察信息通信及其空間

張 龍， 劉 俐， 杜 薇 薇， 劉 璐， 王 智 森

( 大連工業(yè)大學 信息科學與工程學院, 遼寧 大連 116034 )

以觀測者視角考察信息通信及其空間

張 龍， 劉 俐， 杜 薇 薇， 劉 璐， 王 智 森

( 大連工業(yè)大學 信息科學與工程學院, 遼寧 大連 116034 )

通過概念、命題、推理和三元信息工程化模型，來考察信息通信的建立過程及其空間的形成與演進；通過廣義通信系統(tǒng)模型，給出了電子信息空間的發(fā)展命題。

信息；觀測者；外構(gòu)；電子信息空間

Abstract: Establishment of information communication process and the evolution of formation space were investigated by concepts, propositions, inferences and the information engineering model of three-element. Then the developmental propositions of electronic information space were given based on the generalized communication system model.

Keywords: information; observer; out-structure; electronic information space

0 引 言

關于信息的理論或?qū)W說是近百年來最活躍的研究領域之一。信息已經(jīng)像空氣一樣遍布在科技與社會民生的每一個角落，并深刻地影響著人們的生存與生活。

在哲學領域，信息是事物的本性[1]；信息是反應事物的形成、關系和差別的東西[2-3]；信息在接受者的頭腦之中，是人造物[4]；信息是事物屬性標識的集合[5]；信息=數(shù)據(jù)+意義[6]；信息是被反映的物質(zhì)的屬性[7]等。在通信領域，信息最早被定義為信息是選擇的自由度[8]；信息是用以消除隨機不確定性的東西，其作為通信的內(nèi)容，被看作不確定性的減少[9-10]；信息是系統(tǒng)組織有序性的度量，是系統(tǒng)組織程度、有序程度的標志，是負熵，是人和外界相互作用過程中相互交換的東西(Norbert Wiener)[11]。為了將信息理論從以通信為代表的經(jīng)典集合理論以及概率論的邊界中解放出來，Zadeh[12]提出了模糊集合的理論，擴展了不確定性理論的范疇。Luca等[13]相應給出了測量模糊集的方法。Klir[14-15]首次提出“廣義信息理論”的概念，整合了確定性與非確定性理論，從而擴展了整個信息理論的框架。除此之外，在心理學領域，信息是存在于我們意識之外的東西(Warren Thorngate)；在情報學領域，信息是使人原有的知識結(jié)構(gòu)發(fā)生變化的那一小部分知識[16]；在經(jīng)濟學領域，信息是提供決策的有效數(shù)據(jù)；在醫(yī)學領域，信息是物質(zhì)、能量、信息及其屬性的標示[17]。

無論是哲學的、通信的、心理學的，還是生物科學的，總體來說對信息的理解可以劃分成兩個主流視角：一是本體論視角的客觀信息，即信息是事物的存在方式、運動狀態(tài)和變化規(guī)律；二是認識論視角的主觀信息，即信息是事物的存在方式、運動狀態(tài)和變化規(guī)律在人類頭腦中的反映[18]。本體論的信息觀強調(diào)了信息的實在性，物即是物，不會因為人類的存在與否而客觀存在，但其未解釋客觀信息是如何被反映、傳播并建立通信關系的。認識論的信息規(guī)則強調(diào)人對于信息的認識能力，信息的存在完全依賴于人的反映能力。但是，在現(xiàn)實物理世界中，人只是具有認識物理世界能力的個體種類之一，因為動物、植物等也具有一些反映物理世界并傳遞信息的能力；與此同時，人類認識和反映物理世界客觀信息的能力也是有限的，否則人類就不可能無止境的探索。因此，認識論的觀點忽略了信息的部分實在性，將信息僅局限于人的認識范疇，忽略了人造工具(如傳感器、網(wǎng)絡智能等)的信息反映貢獻。

本研究通過觀察、分析和歸納，從物質(zhì)和信息的概念出發(fā)，定義物理實體、物理空間和物理世界，再定義信息實體、信息空間和信息世界；由命題和推理來展開邏輯構(gòu)架，通過引入觀測者來建立工程化模型，即物理、信息與觀測者三元模型；通過將人作為觀測者，對人類認識的信息及其空間的發(fā)展與演進進行梳理，以期找到一個可工程化的理論體系，來解釋互聯(lián)電子信息空間演繹與發(fā)展進化。

1 基礎概念的定義

物質(zhì)是實體存在，具有時-空獨占特性，可用物理與化學元素組成來表征，其性質(zhì)可表現(xiàn)為物理性質(zhì)和化學性質(zhì)。信息是物質(zhì)屬性的集合，又可分為靜態(tài)屬性和動態(tài)屬性。

命題1：不存在沒有信息的物質(zhì)。

物理實體(Physical entities)是由多種元素多種結(jié)構(gòu)復合而成的復雜結(jié)構(gòu)體，山川河流、飛禽走獸等一切占有時-空的都是物理實體，物理實體是具體的；物理實體的概念及其性質(zhì)等形成信息實體(Information entities)，是不依賴于觀測者而客觀存在的，是物理實體存在與變化特性的描述、表征的集合。

命題2：物理實體與其信息實體是對稱存在的。如圖1所示，鏡界線(Mirror line)為描述物理空間與信息空間、物理實體與信息實體鏡像對稱的分界線。

命題3：信息實體和信息空間與物理實體和物理空間一樣，不依賴于觀測者而客觀存在。

空間是實體的存在場所，可由維度和尺度特性來度量和表征實體的存在，人類已經(jīng)逐步建立起時間-空間-溫度-重量等多維空間體系。實體與空間都是觀測對象，是觀察與研究的客體；人、傳感器等實體，既是觀測者(Observer)，同時也可成為觀測對象。同一物理實體，不同的觀測者觀測和反映的信息是不同的。

圖1 物理空間與信息空間模型Fig.1 Model of physical space and information space

物理空間是物理實體存在的場所，具有立體空間和時間尺度，而維度以及維度上的尺度是觀察物理實體的參照系，物理實體一定占有特定的時-空物理空間，否則就是不存在。信息空間是信息實體的存在場所，物理實體空間鏡像著自己的信息實體空間。物理世界是物質(zhì)、物理實體和物理空間的集合，在能量的推動下展現(xiàn)為一個生動的物理世界。信息世界是信息、信息實體和信息空間的集合。

推理1：物理空間中的物理量符合算數(shù)加減規(guī)律，具有空間獨占性。

推理2：信息空間中的信息量符合集合相加規(guī)律。

2 信息的外構(gòu)

2.1 物理實體、信息實體與觀測者的三元模型

物理實體、信息實體與觀測者三元模型，如圖2所示。通過這一模型，可以將信息的反映過程工程化。

觀測者既是物理實體也是信息實體；觀測者是需具有信息感知、信息編碼、記憶與存儲、信息傳遞(社交性)等基本能力的實體。人是特殊的物理實體與信息實體的統(tǒng)一體，同時也是最活躍的信息觀測者。

推理3：觀測者觀測與反應的信息量不大于信息實體的信息量，即觀測者反映的信息是失真的和有噪聲干擾的。

為了說明觀測者的信息活動，需要定義外構(gòu)信息空間(Out-structure space of information，OS.I)，即觀測者將信息實體從物理實體中映射出來的存放場所；人類的所有信息文明成果，都包含在人的外構(gòu)信息空間之中；其中，最早的外構(gòu)信息空間是人腦，外構(gòu)工具包括語言、文字、數(shù)字、圖畫等，而這眾多的信息外構(gòu)的結(jié)果，可以定義為信息編碼；承載與存儲信息編碼的物質(zhì)，可以定義為媒介，媒介是外構(gòu)信息空間的物質(zhì)載體。

圖2 三元工程化模型Fig.2 Three-element engineering model

2.2 信息外構(gòu)與外構(gòu)信息空間

觀測者是具有信息感知、信息編碼、記憶存儲、信息傳遞四個基本能力的實體，而通信能力屬于高一層次；觀測者可以是一個人、一只鳥、一匹馬，甚至是一個傳感器等。觀測者通過感知將信息實體從物理實體中映射出來，經(jīng)過編碼形成記憶和存儲，完成信息外構(gòu)；外構(gòu)信息(Out-structure of information,OO.I)的存儲載體為外構(gòu)信息媒介，媒介是物質(zhì)；外構(gòu)信息的內(nèi)容形成外構(gòu)信息空間。

推理4：外構(gòu)信息空間是信息空間的子集與失真集的和。失真集代表著觀測者的反映偏差。

信息通過媒介進行傳播即為通信，通信使觀測者之間能夠通過媒介來進行信息交換，通過信息交換可形成公共外構(gòu)信息空間，也可稱為公共信息空間。

3 人類外構(gòu)信息及其空間

3.1 人類外構(gòu)信息工具的演進

與物理實體鏡像對稱的信息實體客觀存在著，并不具有自擴散特性，只有通過觀測者將其外構(gòu)和通信才能傳播，才能被廣泛認識。在觀測者中，人類的成功之處就是通過通信構(gòu)造了公共信息空間，使后繼者省去了從零開始認識世界的生命開銷。從這個意義上講，學校是第一生產(chǎn)力。

人類外構(gòu)信息的過程首先需要借助于編碼工具來實現(xiàn)。最原始和最基本的信息編碼工具是形象記憶。人們通過視覺、聽覺、嗅覺、觸覺、感覺等來感知物理實體的形象存在，這些形象存在會在頭腦中記憶，形成形象思維，長期的記憶積累，形成了反映外部世界規(guī)律的邏輯思維。此時，外構(gòu)信息以概念的形式存在于人腦中。

圖3 信息的外構(gòu)模型Fig.3 Out-structure of information model

語言(包括聲音語言和肢體語言)作為形象思維的延伸，使人類外構(gòu)信息突破了個體間交互的限制，成為一種公共的信息編碼工具。符號語言(包括文字、圖像、數(shù)字等)的形成又突破了傳統(tǒng)語言編碼所具有的不可存儲性、即時性以及在場的限制。語言和符號編碼語言拓展了人類個體間信息交互的范圍，使人類外構(gòu)信息由個體內(nèi)向個體間傳播演進。

利用電磁波將聲音、文字等外構(gòu)信息轉(zhuǎn)變成電磁編碼信息進行傳輸，使得現(xiàn)實世界中連續(xù)的物理時間和空間被編碼為一種數(shù)字化的比特形式存在，消除了外構(gòu)信息交互的時空限制，同時也實現(xiàn)了外構(gòu)信息跨區(qū)域的流動與融合，如電話、廣播、電視等。

3.2 人類外構(gòu)信息媒介的演進

媒介作為承載外構(gòu)信息的媒體，是人用來傳遞和獲取信息的工具、載體或中介物。外構(gòu)信息通過媒介進行傳播，形成通信的過程。

從載體的角度出發(fā)，人腦是人類最基本的外構(gòu)信息承載媒介。語言、圖畫、竹簡、絹、皮革、紙等媒介是人腦內(nèi)存信息的又一次外構(gòu)，這次外構(gòu)使得信息在個體間得以傳播和交互，同時信息承載媒介開始從人體分化出來，形成了獨立發(fā)展的外構(gòu)信息媒介[19]。外構(gòu)信息媒介也就是公共信息媒介，其發(fā)展和演進與編碼信息的傳播是分不開的。

實體媒介承載的信息密度是逐步提高的，一塊甲骨、一條竹簡、一張羊皮所能承載的信息量極其有限，并且物質(zhì)代價較大。紙媒的出現(xiàn)大大提高了信息密度；而電磁媒體尤其是半導體媒介的出現(xiàn)，幾乎可以將人類所有的外構(gòu)信息存儲和連接在一起。通過考察和研究發(fā)現(xiàn)一個有趣的現(xiàn)象：在歷史長河中，媒介的信息密度和編碼效率成反比。

3.3 人類公共外構(gòu)信息空間的形成與演進

人類個體通過自身感知器官完成信息實體在人腦中的基本外構(gòu)，此時，人腦及其存儲在人腦中的形象化邏輯思維構(gòu)成了人的個體外構(gòu)信息空間，成為人類信息活動的最原始場所。每一個個體外構(gòu)信息空間構(gòu)成最典型的信息孤島。

多個獨立的個體外構(gòu)信息空間之間通過媒介通信形成信息群落。起初，山海的阻隔、人的自然移動能力限制，使人們的生存形成不同空間位置的自然群落，由于自然環(huán)境的多樣性，形成了眾多不同的語言以及文字，演變成了文化圈，實現(xiàn)個體外構(gòu)信息在群落內(nèi)的相互傳播與交互，如圖4所示。

以形象思維為基礎對客觀物理世界的不斷抽象，使人們在各自的自然群落內(nèi)逐漸形成了各自的社會文明；人類對自然和社會本身的認識也在不斷地加深和分化，以群落為單位的公共外構(gòu)信息空間促使社會活動的專業(yè)化逐步形成，天文、地理、生物、數(shù)學、物理、化學、社會等。但隨著公共信息承載媒介的逐漸發(fā)展(如雜志期刊、圖書館等)，公共外構(gòu)信息空間開始突破群落的時空限制，實現(xiàn)不同群落間公共外構(gòu)信息空間的信息交互。在該階段，人類外構(gòu)的自然與社會信息不斷被集聚和共享，公共外構(gòu)信息空間逐漸豐富，群落間的公共外構(gòu)信息逐漸形成，知識信息的傳播范圍也被迅速擴大，從而使后繼者認識自然的時間被壓縮，這些最終都表現(xiàn)為社會文明的加速進步。

圖4 公共信息空間的形成Fig.4 Formation of public information space

電磁編碼和電磁信號的出現(xiàn)，極大地改變了信息存儲與傳播的方式，也改變了信息自身的形態(tài)。數(shù)字化技術實現(xiàn)了人類外構(gòu)信息的統(tǒng)一編碼，通信、互聯(lián)與物聯(lián)技術實現(xiàn)了幾乎無延遲的信息鏡像與鏈接，突破信息孤島的技術障礙基本被清除，人類正經(jīng)歷著有史以來最深刻的信息革命。由電磁編碼信息和通信形成公共電子信息空間，其演進特點如表1所示。

表1 公共電子信息空間的演進Tab.1 Evolution of public electronic information space

4 互聯(lián)電子信息空間特征

4.1 廣義通信系統(tǒng)模型

由觀測者外構(gòu)信息到形成公共外構(gòu)信息空間的過程，構(gòu)成了廣義通信系統(tǒng)模型，如圖5所示。該模型將香農(nóng)通信系統(tǒng)模型推廣到了一般現(xiàn)實中的系統(tǒng)問題，可相對完整地描述人類信息活動的過程，尤其是當前互聯(lián)電子信息空間的信息通信。

在該模型中，眾多物理實體構(gòu)成觀測對象集，觀測者(人、傳感器等)通過對眾多信息實體的編碼形成外構(gòu)信息，外構(gòu)信息通過信道機(如廣播信道機、數(shù)字微波信道機、模擬微波信道機、衛(wèi)星通信信道機等)的轉(zhuǎn)換，形成適合于不同傳輸信道環(huán)境的電磁信號，再通過傳輸實現(xiàn)信息通信。電子編碼信息被存儲于電子媒介之中，并通過公共協(xié)議實現(xiàn)自由流通和交互，構(gòu)成公共信息空間。

4.2 公共電子信息空間的特征

從電子信息空間形成的物理基礎演進來看，可以給出以下命題：

命題4：電子信息空間的基本功能要素包括編譯碼、通信、存儲、尋址(信息交換)。

命題5：電子信息空間的基本組織要素包括標準、協(xié)議和信息格式。

任何一個信息過程都包含了上述命題中的所有要素，只是不同信息過程中的要素形式不同。

圖5 廣義通信系統(tǒng)模型Fig.5 Generalized communication system model

命題6：由于信息可以即時獲取，電子信息空間已經(jīng)成為人的公共外腦。

各種電子終端設備將人與網(wǎng)絡緊密地連接在一起，人們可以將大量的行為信息存儲于網(wǎng)絡(云端)，并分享和交互。人們對網(wǎng)絡的依整性在逐漸增強，越來越多的人類信息正在被外包至電子信息空間并存儲。

命題7：物聯(lián)網(wǎng)增加了新的通信維度，使電子信息空間與物理空間逐漸趨于融合。

人與人、人與物、物與物之間的通信[20-22]是物聯(lián)網(wǎng)技術正在解決的問題。新的通信維度的增加，有效的擴展了電子信息空間的連接范圍，使人們對于物理環(huán)境的認識達到了一個新的層次。人與物、物與物通信關系的建立使得物理世界信息開始匯聚，物理空間與信息空間的交集進一步擴大，電子信息空間與物理空間的界限變得越來越模糊，并趨于同步和融合，電子信息空間已成為和物理空間同等重要的生存與生活空間。

命題8：電子信息空間正在向著具有共生、自組織、自生長的類自然生態(tài)系統(tǒng)的生物進化邏輯方向演進，正在逐漸形成群體智慧。

云計算、大數(shù)據(jù)、人工智能、虛擬現(xiàn)實、物聯(lián)網(wǎng)等新興技術的發(fā)展和應用，正在使電子信息空間的海量信息相互關聯(lián)產(chǎn)生智慧，并逐漸成長為具有信息自生長、自處理功能的網(wǎng)絡生態(tài)環(huán)境。

5 結(jié) 語

信息是通信的內(nèi)容，空間是通信的對象，由于物理空間與信息空間的強關聯(lián)性，在信息反映、信息傳遞和信息集聚等信息通信的特征表述上存在著諸多挑戰(zhàn)，現(xiàn)有的理論模型和方法難以應對上述挑戰(zhàn)。

因此，本研究以觀測者為視角，通過概念、命題和推理，構(gòu)建了信息通信的三個理論模型：物理空間與信息空間模型，三元工程化模型以及信息的外構(gòu)模型。并用該模型考察了信息通信的建立過程及其空間的形成與演進。所提出的理論觀點，為解釋社會信息現(xiàn)象，尋找信息生成、傳遞和作用機制以及物聯(lián)網(wǎng)的應用與發(fā)展提供了一點理論參考。

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Investigationsofinformationcommunicationandinformationspacefromtheperspectiveofobserver

ZHANG Long, LIU Li, DU Weiwei, LIU Lu, WANG Zhisen

( School of Information Science and Engineering, Dalian Polytechnic University, Dalian 116034, China )

TN911.2

A

1674-1404(2017)05-0380-06

2016-03-29.

張 龍(1989-)，男，碩士研究生；通信作者：王智森(1963-)，男，教授.

張龍,劉俐,杜薇薇,劉璐,王智森.以觀測者視角考察信息通信及其空間[J].大連工業(yè)大學學報,2017,36(5):380-385.

ZHANG Long, LIU Li, DU Weiwei, LIU Lu, WANG Zhisen. Investigations of information communication and information space from the perspective of observer[J]. Journal of Dalian Polytechnic University, 2017, 36(5): 380-385.