以观测者视角考察信息通信及其空间

张 龙， 刘 俐， 杜 薇 薇， 刘 璐， 王 智 森

( 大连工业大学 信息科学与工程学院, 辽宁 大连 116034 )

以观测者视角考察信息通信及其空间

张 龙， 刘 俐， 杜 薇 薇， 刘 璐， 王 智 森

( 大连工业大学 信息科学与工程学院, 辽宁 大连 116034 )

通过概念、命题、推理和三元信息工程化模型，来考察信息通信的建立过程及其空间的形成与演进；通过广义通信系统模型，给出了电子信息空间的发展命题。

信息；观测者；外构；电子信息空间

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

关于信息的理论或学说是近百年来最活跃的研究领域之一。信息已经像空气一样遍布在科技与社会民生的每一个角落，并深刻地影响着人们的生存与生活。

在哲学领域，信息是事物的本性[1]；信息是反应事物的形成、关系和差别的东西[2-3]；信息在接受者的头脑之中，是人造物[4]；信息是事物属性标识的集合[5]；信息=数据+意义[6]；信息是被反映的物质的属性[7]等。在通信领域，信息最早被定义为信息是选择的自由度[8]；信息是用以消除随机不确定性的东西，其作为通信的内容，被看作不确定性的减少[9-10]；信息是系统组织有序性的度量，是系统组织程度、有序程度的标志，是负熵，是人和外界相互作用过程中相互交换的东西(Norbert Wiener)[11]。为了将信息理论从以通信为代表的经典集合理论以及概率论的边界中解放出来，Zadeh[12]提出了模糊集合的理论，扩展了不确定性理论的范畴。Luca等[13]相应给出了测量模糊集的方法。Klir[14-15]首次提出“广义信息理论”的概念，整合了确定性与非确定性理论，从而扩展了整个信息理论的框架。除此之外，在心理学领域，信息是存在于我们意识之外的东西(Warren Thorngate)；在情报学领域，信息是使人原有的知识结构发生变化的那一小部分知识[16]；在经济学领域，信息是提供决策的有效数据；在医学领域，信息是物质、能量、信息及其属性的标示[17]。

无论是哲学的、通信的、心理学的，还是生物科学的，总体来说对信息的理解可以划分成两个主流视角：一是本体论视角的客观信息，即信息是事物的存在方式、运动状态和变化规律；二是认识论视角的主观信息，即信息是事物的存在方式、运动状态和变化规律在人类头脑中的反映[18]。本体论的信息观强调了信息的实在性，物即是物，不会因为人类的存在与否而客观存在，但其未解释客观信息是如何被反映、传播并建立通信关系的。认识论的信息规则强调人对于信息的认识能力，信息的存在完全依赖于人的反映能力。但是，在现实物理世界中，人只是具有认识物理世界能力的个体种类之一，因为动物、植物等也具有一些反映物理世界并传递信息的能力；与此同时，人类认识和反映物理世界客观信息的能力也是有限的，否则人类就不可能无止境的探索。因此，认识论的观点忽略了信息的部分实在性，将信息仅局限于人的认识范畴，忽略了人造工具(如传感器、网络智能等)的信息反映贡献。

本研究通过观察、分析和归纳，从物质和信息的概念出发，定义物理实体、物理空间和物理世界，再定义信息实体、信息空间和信息世界；由命题和推理来展开逻辑构架，通过引入观测者来建立工程化模型，即物理、信息与观测者三元模型；通过将人作为观测者，对人类认识的信息及其空间的发展与演进进行梳理，以期找到一个可工程化的理论体系，来解释互联电子信息空间演绎与发展进化。

1 基础概念的定义

物质是实体存在，具有时-空独占特性，可用物理与化学元素组成来表征，其性质可表现为物理性质和化学性质。信息是物质属性的集合，又可分为静态属性和动态属性。

命题1：不存在没有信息的物质。

物理实体(Physical entities)是由多种元素多种结构复合而成的复杂结构体，山川河流、飞禽走兽等一切占有时-空的都是物理实体，物理实体是具体的；物理实体的概念及其性质等形成信息实体(Information entities)，是不依赖于观测者而客观存在的，是物理实体存在与变化特性的描述、表征的集合。

命题2：物理实体与其信息实体是对称存在的。如图1所示，镜界线(Mirror line)为描述物理空间与信息空间、物理实体与信息实体镜像对称的分界线。

命题3：信息实体和信息空间与物理实体和物理空间一样，不依赖于观测者而客观存在。

空间是实体的存在场所，可由维度和尺度特性来度量和表征实体的存在，人类已经逐步建立起时间-空间-温度-重量等多维空间体系。实体与空间都是观测对象，是观察与研究的客体；人、传感器等实体，既是观测者(Observer)，同时也可成为观测对象。同一物理实体，不同的观测者观测和反映的信息是不同的。

图1 物理空间与信息空间模型Fig.1 Model of physical space and information space

物理空间是物理实体存在的场所，具有立体空间和时间尺度，而维度以及维度上的尺度是观察物理实体的参照系，物理实体一定占有特定的时-空物理空间，否则就是不存在。信息空间是信息实体的存在场所，物理实体空间镜像着自己的信息实体空间。物理世界是物质、物理实体和物理空间的集合，在能量的推动下展现为一个生动的物理世界。信息世界是信息、信息实体和信息空间的集合。

推理1：物理空间中的物理量符合算数加减规律，具有空间独占性。

推理2：信息空间中的信息量符合集合相加规律。

2 信息的外构

2.1 物理实体、信息实体与观测者的三元模型

物理实体、信息实体与观测者三元模型，如图2所示。通过这一模型，可以将信息的反映过程工程化。

观测者既是物理实体也是信息实体；观测者是需具有信息感知、信息编码、记忆与存储、信息传递(社交性)等基本能力的实体。人是特殊的物理实体与信息实体的统一体，同时也是最活跃的信息观测者。

推理3：观测者观测与反应的信息量不大于信息实体的信息量，即观测者反映的信息是失真的和有噪声干扰的。

为了说明观测者的信息活动，需要定义外构信息空间(Out-structure space of information，OS.I)，即观测者将信息实体从物理实体中映射出来的存放场所；人类的所有信息文明成果，都包含在人的外构信息空间之中；其中，最早的外构信息空间是人脑，外构工具包括语言、文字、数字、图画等，而这众多的信息外构的结果，可以定义为信息编码；承载与存储信息编码的物质，可以定义为媒介，媒介是外构信息空间的物质载体。

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

2.2 信息外构与外构信息空间

观测者是具有信息感知、信息编码、记忆存储、信息传递四个基本能力的实体，而通信能力属于高一层次；观测者可以是一个人、一只鸟、一匹马，甚至是一个传感器等。观测者通过感知将信息实体从物理实体中映射出来，经过编码形成记忆和存储，完成信息外构；外构信息(Out-structure of information,OO.I)的存储载体为外构信息媒介，媒介是物质；外构信息的内容形成外构信息空间。

推理4：外构信息空间是信息空间的子集与失真集的和。失真集代表着观测者的反映偏差。

信息通过媒介进行传播即为通信，通信使观测者之间能够通过媒介来进行信息交换，通过信息交换可形成公共外构信息空间，也可称为公共信息空间。

3 人类外构信息及其空间

3.1 人类外构信息工具的演进

与物理实体镜像对称的信息实体客观存在着，并不具有自扩散特性，只有通过观测者将其外构和通信才能传播，才能被广泛认识。在观测者中，人类的成功之处就是通过通信构造了公共信息空间，使后继者省去了从零开始认识世界的生命开销。从这个意义上讲，学校是第一生产力。

人类外构信息的过程首先需要借助于编码工具来实现。最原始和最基本的信息编码工具是形象记忆。人们通过视觉、听觉、嗅觉、触觉、感觉等来感知物理实体的形象存在，这些形象存在会在头脑中记忆，形成形象思维，长期的记忆积累，形成了反映外部世界规律的逻辑思维。此时，外构信息以概念的形式存在于人脑中。

图3 信息的外构模型Fig.3 Out-structure of information model

语言(包括声音语言和肢体语言)作为形象思维的延伸，使人类外构信息突破了个体间交互的限制，成为一种公共的信息编码工具。符号语言(包括文字、图像、数字等)的形成又突破了传统语言编码所具有的不可存储性、即时性以及在场的限制。语言和符号编码语言拓展了人类个体间信息交互的范围，使人类外构信息由个体内向个体间传播演进。

利用电磁波将声音、文字等外构信息转变成电磁编码信息进行传输，使得现实世界中连续的物理时间和空间被编码为一种数字化的比特形式存在，消除了外构信息交互的时空限制，同时也实现了外构信息跨区域的流动与融合，如电话、广播、电视等。

3.2 人类外构信息媒介的演进

媒介作为承载外构信息的媒体，是人用来传递和获取信息的工具、载体或中介物。外构信息通过媒介进行传播，形成通信的过程。

从载体的角度出发，人脑是人类最基本的外构信息承载媒介。语言、图画、竹简、绢、皮革、纸等媒介是人脑内存信息的又一次外构，这次外构使得信息在个体间得以传播和交互，同时信息承载媒介开始从人体分化出来，形成了独立发展的外构信息媒介[19]。外构信息媒介也就是公共信息媒介，其发展和演进与编码信息的传播是分不开的。

实体媒介承载的信息密度是逐步提高的，一块甲骨、一条竹简、一张羊皮所能承载的信息量极其有限，并且物质代价较大。纸媒的出现大大提高了信息密度；而电磁媒体尤其是半导体媒介的出现，几乎可以将人类所有的外构信息存储和连接在一起。通过考察和研究发现一个有趣的现象：在历史长河中，媒介的信息密度和编码效率成反比。

3.3 人类公共外构信息空间的形成与演进

人类个体通过自身感知器官完成信息实体在人脑中的基本外构，此时，人脑及其存储在人脑中的形象化逻辑思维构成了人的个体外构信息空间，成为人类信息活动的最原始场所。每一个个体外构信息空间构成最典型的信息孤岛。

多个独立的个体外构信息空间之间通过媒介通信形成信息群落。起初，山海的阻隔、人的自然移动能力限制，使人们的生存形成不同空间位置的自然群落，由于自然环境的多样性，形成了众多不同的语言以及文字，演变成了文化圈，实现个体外构信息在群落内的相互传播与交互，如图4所示。

以形象思维为基础对客观物理世界的不断抽象，使人们在各自的自然群落内逐渐形成了各自的社会文明；人类对自然和社会本身的认识也在不断地加深和分化，以群落为单位的公共外构信息空间促使社会活动的专业化逐步形成，天文、地理、生物、数学、物理、化学、社会等。但随着公共信息承载媒介的逐渐发展(如杂志期刊、图书馆等)，公共外构信息空间开始突破群落的时空限制，实现不同群落间公共外构信息空间的信息交互。在该阶段，人类外构的自然与社会信息不断被集聚和共享，公共外构信息空间逐渐丰富，群落间的公共外构信息逐渐形成，知识信息的传播范围也被迅速扩大，从而使后继者认识自然的时间被压缩，这些最终都表现为社会文明的加速进步。

图4 公共信息空间的形成Fig.4 Formation of public information space

电磁编码和电磁信号的出现，极大地改变了信息存储与传播的方式，也改变了信息自身的形态。数字化技术实现了人类外构信息的统一编码，通信、互联与物联技术实现了几乎无延迟的信息镜像与链接，突破信息孤岛的技术障碍基本被清除，人类正经历着有史以来最深刻的信息革命。由电磁编码信息和通信形成公共电子信息空间，其演进特点如表1所示。

表1 公共电子信息空间的演进Tab.1 Evolution of public electronic information space

4 互联电子信息空间特征

4.1 广义通信系统模型

由观测者外构信息到形成公共外构信息空间的过程，构成了广义通信系统模型，如图5所示。该模型将香农通信系统模型推广到了一般现实中的系统问题，可相对完整地描述人类信息活动的过程，尤其是当前互联电子信息空间的信息通信。

在该模型中，众多物理实体构成观测对象集，观测者(人、传感器等)通过对众多信息实体的编码形成外构信息，外构信息通过信道机(如广播信道机、数字微波信道机、模拟微波信道机、卫星通信信道机等)的转换，形成适合于不同传输信道环境的电磁信号，再通过传输实现信息通信。电子编码信息被存储于电子媒介之中，并通过公共协议实现自由流通和交互，构成公共信息空间。

4.2 公共电子信息空间的特征

从电子信息空间形成的物理基础演进来看，可以给出以下命题：

命题4：电子信息空间的基本功能要素包括编译码、通信、存储、寻址(信息交换)。

命题5：电子信息空间的基本组织要素包括标准、协议和信息格式。

任何一个信息过程都包含了上述命题中的所有要素，只是不同信息过程中的要素形式不同。

图5 广义通信系统模型Fig.5 Generalized communication system model

命题6：由于信息可以即时获取，电子信息空间已经成为人的公共外脑。

各种电子终端设备将人与网络紧密地连接在一起，人们可以将大量的行为信息存储于网络(云端)，并分享和交互。人们对网络的依整性在逐渐增强，越来越多的人类信息正在被外包至电子信息空间并存储。

命题7：物联网增加了新的通信维度，使电子信息空间与物理空间逐渐趋于融合。

人与人、人与物、物与物之间的通信[20-22]是物联网技术正在解决的问题。新的通信维度的增加，有效的扩展了电子信息空间的连接范围，使人们对于物理环境的认识达到了一个新的层次。人与物、物与物通信关系的建立使得物理世界信息开始汇聚，物理空间与信息空间的交集进一步扩大，电子信息空间与物理空间的界限变得越来越模糊，并趋于同步和融合，电子信息空间已成为和物理空间同等重要的生存与生活空间。

命题8：电子信息空间正在向着具有共生、自组织、自生长的类自然生态系统的生物进化逻辑方向演进，正在逐渐形成群体智慧。

云计算、大数据、人工智能、虚拟现实、物联网等新兴技术的发展和应用，正在使电子信息空间的海量信息相互关联产生智慧，并逐渐成长为具有信息自生长、自处理功能的网络生态环境。

5 结 语

信息是通信的内容，空间是通信的对象，由于物理空间与信息空间的强关联性，在信息反映、信息传递和信息集聚等信息通信的特征表述上存在着诸多挑战，现有的理论模型和方法难以应对上述挑战。

因此，本研究以观测者为视角，通过概念、命题和推理，构建了信息通信的三个理论模型：物理空间与信息空间模型，三元工程化模型以及信息的外构模型。并用该模型考察了信息通信的建立过程及其空间的形成与演进。所提出的理论观点，为解释社会信息现象，寻找信息生成、传递和作用机制以及物联网的应用与发展提供了一点理论参考。

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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.

张 龙(1989-)，男，硕士研究生；通信作者：王智森(1963-)，男，教授.

张龙,刘俐,杜薇薇,刘璐,王智森.以观测者视角考察信息通信及其空间[J].大连工业大学学报,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.