信息的分類與度量

1 信息的分類

信息普遍存在并作用于自然界、人類社會和思維領域, 其表現形式是多種多樣的, 我們可以根據不同的標準對信息作出不同的分類。

(1 ) 社會信息與非社會信息

根據信息的實質內容和產生基礎, 信息可以分為社會信息和非社會信息。社會信息是指人類傳遞和交流的信息, 包括一切由人創造的具有廣義社會價值的文化形態和觀念。非社會信息是指生物信息( 如遺傳信息) 和自然信息(如天體信息)。其中, 生物信息是指生物遺傳密碼的傳遞、復制、轉錄、轉譯過程以及生物之間的通訊聯系。而自然信息則是指以自然界中的事物相互作用為信源發放出來的信息。例如, 地震是地球內部巨大能量的釋放, 這種能量在地震到來之前會發出多種信息。

(2 ) 客觀信息、人工信息與主觀信息

根據信息的地位和作用, 信息可分為客觀信息、人工信息與主觀信息。所謂客觀信息即是指表現物質特征的信息; 而主觀信息則指的是表現精神屬性的信息。客觀信息是主觀信息的對象和內容,主觀信息是客觀信息功能的反映和抽象。而介于兩者之間的則是經過電腦加工的人工信息。其特征是: 有人工痕跡, 但主觀色彩極少, 它來源于客觀信息, 而又高于客觀信息, 是在客觀信息的基礎上, 經過數度抽象而成的, 因而也稱之為低級的主觀信息、高級的客觀信息。

(3 ) 實在信息、先驗信息與實得信息

根據對事物的觀察過程, 信息可以被分為實在信息、先驗信息與實得信息。所謂某事物的實在信息, 指的是該事物實際的運動狀態和方式, 也就是在理想觀察條件下觀察者所獲得的關于該事物的全部信息; 觀察者關于某事物的先驗信息是指他在觀察之前通過某種途徑所感知的該事物運動的狀態和方式; 而在觀察過程中, 觀察者關于某事物的實得信息, 則是指他通過觀察所新感知到的該事物運動的狀態和方式。

(4 ) 直接信息與間接信息

根據人的感知方式, 信息可分為直接信息與間接信息。直接信息是指從人的直接經驗中獲得的信息, 如人通過觀察某一現象所獲得的信息。直接信息在多數情況下常常是指事實或現象, 即事物運動的存在形式。而間接信息則指的是人對客觀事物的反映, 是事物運動的表達形式, 它包括書籍、文獻、資料、數據、演講等。

(5 ) 言語信息與非言語信息

根據載荷信息的符號種類, 信息可分為言語信息與非言語信息。言語信息是由言語交際符號所載荷的信息, 其重要性就在于它能夠表達和傳遞最抽象的思想、最復雜的感情和最豐富的內容。而非言語交際符號也是人類符號系統中重要的組成部分, 寄載于非言語交際符號中的信息即是非言語信息。非言語信息是言語信息的孿生兄弟, 二者互為補充, 組成了絢麗多彩的信息世界。

(6 ) 內儲信息與外化信息

根據信息的存在形式, 信息可分為內儲信息與外化信息。內儲信息指的是經過人腦加工存儲在人腦信息庫中的那一部分信息。而外化信息則是指以符號形式存在的一切精神產物。

(7 ) 動態信息與靜態信息

根據信息的運動狀態, 信息可分為動態信息與靜態信息。在此, “ 動態” 與“ 靜態” 并非嚴格意義上的科學概念。由于信息是事物運動的存在形式或表達形式, 在本質上總是運動的, 在形式上也總是動中有靜, 靜中有動。因此, 動態信息與靜態信息只是一種比喻說法。所謂動態信息, 常常指的是諸如新聞、情報這樣時間性極強的信息。而靜態信息則主要是指像歷史文獻、資料和知識這樣一些處于相對穩定狀態的信息。

(8 ) 有用信息與無用信息

根據信息的作用、結果, 信息可分為有用信息與無用信息。從本質上說, 有用性是信息的基本特性之一。我們所說的有用信息和無用信息是就信息對用戶的作用結果而言的。如果某一信息對于用戶沒有帶來有益的結果, 無助于用戶從事某種活動, 這種信息當然是無用信息; 反之, 則是有用信息。信息的有用與否既與人們的活動目的有關, 又與人們活動的對象有關, 還與時間有一定的關系。

(9 ) 空殼信息、黑洞信息、飽和信息與含熵信息

根據信息的結構, 從思維科學的角度可將信息分為空殼信息、黑洞信息、飽和信息與含熵信息。要了解這四類信息的含義, 我們有必要先弄清楚熵、信息量、信息結構這些基本概念的含義。所謂“熵”, 它是一個介于信息內容和信息量之間的概念。簡單地說, 它就是不確定的信息內容。而信息量則是信源所包含的信息內容的定量表示。我們知道, 信源要向外發送消息, 信源所含的全部信息量就可以部分或全部地為其所發出的消息所攜帶, 被消息所攜帶的信息量稱之為“ 攜載信息量”, 而那部分沒有為消息所攜載, 仍然潛在信源之中的信息量則叫做“ 熵量”。所以, 信源所含的全部信息量等于熵量加攜載信息量。假定熵量為零, 信源信息量就等于攜載信息量; 反之, 假如攜載信息量為零, 則信源信息量就等于熵量。

據此, 我們就可以對空殼信息、黑洞信息、飽和信息與含熵信息做出界定。當信源中不再有熵, 發出的消息中攜載了信源含有的全部信息量, 這時, 信源發出的消息所攜載的信息量就達到了飽和———它可能攜載的信息量已經全部攜載了, 這種信息便稱之為“ 飽和信息”; 而含熵信息則是不飽和信息; 空殼信息和黑洞信息則是信息量為零的信息。空殼信息是沒有熵, 也沒有信息量的信息; 而黑洞信息則全是熵, 但沒有信息量。

(10) 文獻信息與非文獻信息

根據信息所依附的載體差異可將信息分為文獻信息與非文獻信息。所謂文獻信息是指以文獻為形式的信息, 它以文字、圖像、公式、聲、視頻、代碼等為手段將信息知識記錄或描述在一定的物質載體上, 并能起到貯存和傳遞信息知識的作用。文獻信息是一種固化了的信息, 包括文獻的內容信息和文獻的形式信息。文獻信息最常見的有檔案信息、圖書信息和情報信息。

2 信息的層次

(1 ) 本體論層次與認識論層次

我們已經指出, 信息是事物運動的狀態和方式以及關于這種狀態和方式的廣義知識, 這個基本定義本身描述的是兩個層次的信息, 即本體論層次的信息和認識論層次的信息。所謂本體論層次的信息, 指的是事物運動的狀態和方式, 也就是事物內部結構和外部聯系的狀態和方式。本體論層次是最普遍的層次, 也是無條件約束的層次, 在這個層次上的信息是廣義的信息, 它適用的范圍最廣。

上述定義中所說的“ 事物” 泛指一切可能的研究對象, 既包括外部世界的物質客體, 也包括主觀世界的精神現象; “運動” 泛指一切意義上的變化, 包括機械運動、物理運動、化學運動、生物運動、思維運動和社會運動等; “ 運動狀態” 是指事物運動在空間上所展示的性狀和態勢; “ 運動方式” 則是指事物運動在時間上所呈現的過程和規律。

認識論層次的信息是指認識主體所感知或所表達的事物運動的狀態和方式。認識論層次的信息必須有認識主體的約束條件, 這個認識主體可能是人、生物或機器系統。認識主體所感知的事物運動狀態和方式, 是外部世界向主體輸入的信息, 認識主體所表達的事物運動狀態和方式, 是主體向外部世界( 包括向其他主體) 輸出的信息。信息是普遍存在的, 在沒有認識主體時, 它就普遍存在于世界之中, 只有有了認識主體( 特別是人) 去獲得信息, 信息才會有意義。

如果把信息與用戶或觀察者聯系起來, 信息就有了新的性質,進而呈現出三個既相互聯系又相互區別的層次。

(2 ) 語法信息、語義信息與語用信息

語法信息是關于事物運動狀態和方式的形式化關系方面的表述, 是最基本的層次, 是最抽象的。從形式化方面來看, 事物運動的狀態可劃分為連續的和離散的、無限的和有限的、模糊的和精確的; 而運動方式則可劃分為隨機的( 或概率性的)、偶發的(或半隨機的) 和確定性的。所謂形式化關系, 它類似于語言學中的語法, 正像語法只考慮詞與詞之間的關系那樣, 語法信息只涉及事物運動狀態和方式的形式化關系。從信息交流的角度來看, 這一層次的信息主要是關于“技術問題”, 即“交流符號怎樣才能被精確地傳輸”。因此, 它也被稱為技術信息, 其相關理論是“ 技術信息論”。

語義信息是關于事物運動狀態和方式的邏輯含義方面的表述,是認識論信息的第二層次。這一層次將事物運動狀態和方式與它們所代表的實際事物聯系起來, 表明這種狀態和方式究竟是什么意思。它相當于語言學中的語義。從信息交流的角度來看, 這一層次的信息主要是關于“語義問題”, 即“被傳輸的符號怎樣準確地運載欲表達的意義” 的。其相關理論是“語義信息論”。與技術信息論相比, 語義信息論更強調信息的語義性問題。

語用信息是關于事物運動狀態和方式對于信息接受者效用性方面的表述, 是認識論信息的第三層次。這一層次顯然要以前兩個層次為基礎: 首先要知道是什么樣的運動狀態和方式, 然后還必須知道這個運動狀態和方式具有什么樣的意義, 這樣才有可能考慮這個運動狀態或方式對于信宿具有什么樣的效用或價值。從信息交流的角度來看, 語用信息是關于信息對于接受者的“ 效用問題”, 即“被接收的意義怎樣有效地影響產生所欲得到的行為”。其相關的理論是“ 效用信息論”。語用信息是最具體、最實際的信息層次。從利用信息的角度來看, 語義信息, 特別是語用信息是最有意義的。

(3 ) 三個信息層次之間的關系

語法信息、語義信息和語用信息是三個既相互區別又相互聯系的信息層次, 下面我們以愛因斯坦的著名公式E = mc2 為例來簡要地說明一下這三個層次信息的關系。如果從語法信息的角度來說,公式E = mc2 規定了這些英文字母和數字的一種特定的排列方式。這就是我們在觀察之前所存在的不確定性———關于這些字母和數字的運動狀態和方式的不確定性。當我們觀察到了這個公式時, 我們就獲得了它們的運動狀態和方式, 也就是獲得了語法信息, 于是就消除了我們事先所存在的關于這些字母和數字的運動狀態和方式的不確定性。這就是公式E = mc2 提供的語法信息。對于通訊來說,也許認識到這一步就足夠了。但是從交流與研究的角度來說, 僅僅看到了這個公式, 如果不知道這些字母和數字的含義, 也不知道它們這樣一種排列順序或位置有什么意義, 那么我們對于這個公式的含義, 就還具有不確定性。直至我們知道了字母E 代表能量, m代表質量, c 代表光速, ( )2 代表平方關系, 我們才知道這一公式的真正含義。這就是說, 我們獲得了這一公式所包含的語義信息,明白了質量與能量的轉換關系。那么這一公式以及它所代表的物理意義對于觀察者( 信宿或用戶) 具有什么效用呢? 弄清了這一公式的含義, 并且確實證明了該公式在邏輯上的真實性之后, 信宿就懂得利用這一公式所表明的關系, 就可以找到辦法來改變原子核的質量狀態, 從而獲得巨大的原子能。當然, 要實際地實現語用信息所提供的效用和價值, 還需要具備各方面的條件, 而且不同的信宿對于利用這一效用和價值的條件和興趣是大不相同的。一般來說, 衡量語法信息的主要指標是數量的多少, 衡量語義信息的主要指標是邏輯的真實性, 而衡量語用信息的主要指標則是對信宿所提供的價值或效用的大小。

為了進一步理解和把握語法信息、語義信息和語用信息的本質及其關系, 我們不妨再結合信息的獲取與傳遞過程作進一步的闡釋。

獲取與傳遞信息一般有幾個基本環節, 一個是信源( 消息的發送者) , 一個是信宿(消息的接受者) , 二者之間還必須有傳遞消息的通道。通常, 信息的獲取和傳遞大體上可以分為三個不同的階段: 第一階段, 消息從信源到信宿, 盡可能正確地復制出來, 這時消息中載荷的信息就是技術信息或語法信息。第二階段, 消息的接受者( 信宿) 所理解的消息載荷的新知識、新內容的原義盡可能與消息的發送者( 信源) 試圖說明的原義近似或者相符, 這時從消息中獲得的信息就是語義信息。近似或者相符的程度越大, 信宿獲取的語義信息就越多。不過, 由于種種主客觀原因的影響, 在消息傳遞過程中語義信息丟失的現象是經常發生的。從一般情況來看, 只有當消息在人掌握的知識范圍之內, 才能準確地提取它的語義信息。同樣聽一場音樂會, 訓練有素的音樂家與缺乏欣賞能力的聽眾, 二者獲得的語義信息顯然是不同的。第三階段, 消息接受者的行為和動作影響與消息發送者在這方面的意圖盡可能地近似或符合起來, 這就是語用信息。哥爾德曼等人認為語用信息的實質就是消息接受者消除了雙重不確定性: 從量上說, 它消除了信宿對消息是否出現的不確定性; 從質上說, 它消除了消息對信宿的行為、動作、目標實現是否有價值、有效用的不確定性。人們在利用信息來同事物打交道的時候, 最經常的就是通過語用信息來作判斷和決策的。

總之, 語法信息、語義信息和語用信息是相互聯系的, 語法信息只考慮運動的狀態和方式, 語義信息是將狀態和方式與現實世界聯系起來, 而語用信息則將狀態、方式及其含義與信宿聯系起來,它們三者之間的相互聯系構成了信息概念的全部外延。

3 信息的度量

信息的作用是用來消除用戶關于事物運動狀態、方式的不確定性, 其數值可以用它所消除的不確定性的多少來度量。那么何為不確定性呢? 我們怎樣通過所消除的不確定性的多少來對信息進行度量呢?

(1 ) 不確定性與信息量

眾所周知, 任何事物都處在不斷的運動過程之中, 而事物運動的狀態和方式往往存在著不確定性。從通信的觀點看, 信息就是通信的內容。人們之所以要互相通信, 目的就在于消除事物的某種“疑問” 或“未知”, 這里所說的“ 疑問” 或“ 未知” 便可以稱之為“不確定性”。例如, 通信系統傳送的內容一般是接收方事先不知道的, 對接收方來說是不能事先確定的; 雷達之所以要不斷搜索, 就是因為目標的出現與否以及會收到什么樣的目標參數是事先不可預知的; 等等。這些事先不能確知的通信內容、目標參數、控制指令、發射參數等便是不確定性。而消除這種不確定性就意味著得到了信息, 或者反過來說, 取得了信息, 就可以消除不確定性。也正因為如此, 在信息論中, 有人將信息定義為消除不確定性的東西。

例如, 甲告訴乙“ 今年某地糧食增產”, 乙收到這個消息之后, 就消除了他對某地糧食是增產還是減產的不確定性; 但是, 到底增產多少, 還存在著某些不確定性, 還需要補充新的信息。顯然, 收到的信息越多, 所能消除的不確定性也就越大。所以, 信息的數量(或者叫信息量) 便可以通過它所消除的不確定性的大小來計算。

(2 ) 信息的度量方法

從本質上說, 不確定性是與“ 多種結果( 或狀態) 的可能性”相聯系的, 而在數學上, 這種可能性是以概率來計算的, 因而事物不確定性的大小便可以用概率分布來描述。例如, 考察擲硬幣這一事件, 它的不確定性表現為具有兩種同樣可能的狀態或結果, 即狀態x1 (字朝上) 出現的可能性(即概率) P( x1) 為1/ 2 , 狀態x2 ( 畫朝上)出現的概率P ( x2 ) 也是1/ 2。再比如, 投擲均勻正立面體骰子 , 具有六種同樣可能的狀態, 即y1( 1 點) , y2( 2 點) , y3( 3 點) , y4 (4點) , y5( 5 點)和y6( 6 點) 出現的概率為p ( y1 ) = p ( y2 ) = p ( y3 ) = p( y4 ) = p( y5 ) = p ( y6 ) = 1/ 6。在這種情況下, 當然擲六面體的不確定性比擲硬幣的不確定性大, 為了消除它的不確定性, 擲骰子場合所需要的信息應該比擲硬幣場合多。但是, 如果骰子不是各面同重, 而是其中一面特別重, 那么, 投擲的結果, 往往都是出現某一特定的點數, 比如, 這時有:

p( y1 ) = 0. 95

p( y2 ) = p( y3 ) = p( y4 ) = p( y5 ) = p( y6 ) = 0. 01

那么, 雖然它的可能狀態數比擲硬幣時多, 但是不確定性反而比擲硬幣時少。可見, 事物的不確定性大小, 一方面與它的可能狀態的數目有關, 另一方面與各可能狀態的概率分別情況有關。信息論證明: 若某事物具有幾種獨立的可能狀態: x1 , x2 , ? , xn , 每一狀態出現的概率分別為P ( x1 ) , P ( x2 ) , ? , P ( xn ) , 且有- ΣP( xi ) = 1 , 那么, 該事物所具有的不確定性數量

H ( x) = - ΣP( xi ) logP( xi )

當對數底取為2 時, H ( x ) 的單位為比特。值得注意的是, 函數H ( x) 與統計熱力學中L. 克勞胥斯定義的熵公式是相同的。因此,在信息論中, H ( x ) 也被稱為熵。事實上, L. 克勞胥斯的熵是表征統計熱力系統的無組織性的, 這與不確定性的意義恰好相通。這樣, 熵函數H ( x ) 表征了事物的不確定性數量, 因而就可以用它來表示信息的數量———信息量( I ) 。

在通信的場合, 如果在通信之前收信者對某事物存在的不確定性數量———熵值為H ( x) , 經過通信收到信息后, 這個不確定性被完全消除了, 那么, 我們就說, 收信者收到的信息量

I = H ( x) - 0 = H ( x )

但是, 如果收到信息之后, 收信者的這個不確定性并未完全消除, 只是減少到H ( y) , 那么, 收信者收到的信息量就為

I = H ( x) - H ( y)

這就是前面所說的, 信息量等于被消除的不確定性數量, 或者說, 信息量等于熵的減少量。這是信息論的最重要的結論之一。