第一章 信息科学的战略价值
　　第一节 信息科学在整个科学体系中的地位
　　信息科学是以信息论、控制论、电磁场理论、图灵计算模型和系统论为基础理论，以信息科学方法论为主要研究方法，以集成电路、计算机、传感器等为主要软硬件平台和技术手段，以扩展人的信息功能为研究目标的一门综合性科学。信息科学主要涵盖电子科学与技术、通信与信息系统、信息获取与处理、计算机科学与技术、数据与计算科学、自动化科学与技术、人工智能（Artificial Intelligence，AI）与智能芯片、半导体科学与信息器件、光学与光电子学以及教育与信息交叉等分支领域。信息科学在信息时代的科学技术进步中发挥着先导作用。随着人类社会从信息时代向智能信息时代发展，以及第四次工业革命的临近，在新的全球格局和大国竞争的国际环境下，信息科学的战略性地位更加突出，迫切需要加强信息科学的前瞻性和颠覆性技术研究，持续推动信息科学的关键核心技术实现突破，为新时代我国深度参与全球竞争提供强有力的科技保障和核心竞争力，确保我国在未来全球竞争中的战略优势。
　　信息刻画事物运动状态及其变化方式，与物质和能量构成客观世界的三大要素。与传统自然科学主要从物质结构及其相互作用、能量转换与物质演变的角度阐释自然的运动和变化不同，信息科学主要从对事物运动变化的观察和认知入手，用信息科学的手段分析获取事物运动的知识和规律，并通过适当的转换和决策来控制其运动变化的方式。信息科学是从信息视角出发研究自然规律的科学方法体系，主要研究信息的获取、传递、认知和决策等过程的基本规律与相应系统的优化组成和运行机理。
　　信息科学奠基于20 世纪40 年代出现的四大基础理论，包括克劳德 艾尔伍德 香农创建的信息论（通信的数学理论）[1]、诺伯特 维纳奠基的控制论[2]、路德维希 冯 贝塔朗菲创立的一般系统论[3]，以及艾伦 麦席森 图灵和约翰 冯 诺依曼等创立的计算理论[4， 5]。这四个信息科学的基础理论在建立和发展初期就有千丝万缕的关系，并且一直相互影响和相互促进，形成了庞大和丰富的信息科学体系。信息论奠定了通信的基础理论，它确定的理论极限是人类追求的目标，是近代几乎所有通信技术取得重大突破的理论动力和思想源泉，带动了整个信息科学的发展，推动了计算理论和控制论的发展与应用，产生了很多信息科学的边缘学科和交叉学科，如量子信息论、生物信息学等，推动了网络通信、深空通信、量子通信、分子通信和计算理论等许多学科方向的发展。控制论建立了控制系统的基本模型，揭示了信息在控制中的核心作用，为自动控制技术和系统的发展奠定了基础。一般系统论倡导系统、整体的概念，开启了系统数学建模方法和开放系统的研究，逐步发展成为研究各种系统的一般模式、结构和规律的系统科学，对一般信息系统的建模、构成、原理及其设计和运行机制都具有重要的指导意义。艾伦 麦席森 图灵创立的通用自动机模型奠定了现代计算机的理论基础，推动了冯 诺依曼计算机体系架构、通用计算机语言和程序的发展。在信息论等理论诞生的同时诞生了半导体晶体管技术，此后伴随着电磁场与电磁波理论、光电效应、电路理论及材料科学的不断发展和应用，微电子和光电子、集成电路、射频微波等技术不断飞速发展。这进一步为通信、计算和控制等信息系统的蓬勃发展和应用提供了强劲动力。在信息论等信息科学基础理论的指引和半导体集成电路等信息领域核心技术的支撑下，逐步产生了完善的计算机系统、全球电信网络、互联网、全球移动通信网络和工业控制系统等，人类正式进入信息时代。
　　随着计算机互联网和移动互联网的高速发展，信息的生成获取、表征压缩、传输处理、计算控制的方式等发生了巨大的变化。信息的载体从声、光、电和磁转向更为丰富复杂、形态各异的媒介。信息获取的时空跨度呈现分布化和网络化。信息处理的维度和规模分别向高维与海量演变，海量数据给信息的表征、压缩、存储、传输和处理带来了极大的挑战。具有复杂结构特征的大规模数据处理、海量存储、大容量传输、高性能计算和智能化控制已成为信息科学的核心问题，这些方向的突破推动了多个领域和行业的不断进步。21 世纪将成为“ 大信息”时代，信息科学呈现深度交叉融合的趋势。信息网络正从面向人— 人互联、人— 机互联的计算机互联网、移动互联网逐步迈向面向人— 机— 物多元互联、协同交互的物联网、工业互联网以及未来人— 机混合协同网络。以物联网和工业互联网为代表的信息系统日渐成为感知、通信、计算和控制高度耦合、相互作用的复杂系统。通过人与人、人与物的泛在互联和协同交互，人类能更充分地感知自然、认知社会，更有效地利用资源、适应环境和改造自然，显著地提高生产效率，更加快速地向数字化、自动化、网络化和智能化迈进，从而极大地推动人类生产方式的改变和社会生活方式的变革。
　　一、电子学与信息系统学科在整个科学体系中的地位
　　电子科学与技术是电子信息工程技术中的基础性和共性研究领域，主要研究电磁场与电磁波、电路与系统、电子材料与器件等方面的基础性和共性科学技术问题，以及电磁场与周围环境，特别是与人体相互作用的科学技术问题。电子科学与技术研究无线和有线信息系统中各类部件、电路、器件的原理方法和实现途径，以及其与周围环境相互作用的基础理论、基本方法和共性技术。该学科包括电路与系统、电磁场与波、太赫兹技术、生物电子与信息、敏感电子学、微波光子学、物理电子学和医学信息监测与处理等领域。在当今信息时代，电子科学与技术学科除了在信息科学与技术领域起着关键支撑作用之外，在电力、测量、能源与资源勘测、地球与天体物理探测、工程材料、生命科学、环境科学以及国防科技等越来越多的领域中也发挥着重要作用。
　　通信与信息系统主要探索各类通信与信息系统中信息有效表达、压缩、传输和交换所遵循的基本规律，揭示系统性能与功率、带宽、时间、空间和算力等各类资源的约束关系，并以此为指导，研究通信与信息系统的构成原则与设计方法。信息论推动了通信领域最近40 余年来的飞速发展，同时极大地促进了其他学科的发展和进步。纠错编码理论作为信息论的重要分支和通信系统的基础理论，推动了计算和存储领域的革命性演进，分布式编码和网络编码技术带动了网络计算、分布式压缩/ 存储、云存储/ 云计算技术的发展。无线移动通信技术的发展使移动计算和移动互联网成为现实，同时为微电子集成电路技术带来了巨大的需求，几乎是其先进工艺、新型半导体材料发展的直接驱动力。通信网络理论和技术的发展更是为互联网、工业互联网、能源互联网、云计算和大规模人工智能系统奠定了不可或缺的坚实基础。通信网络所形成的海量泛在连接，正在影响和改变人类社会生活的范式以及人类与自然共存的方式，带来许多新的社会现象并有望孕育更多的学科方向。通信与感知、计算、控制将日趋融合，在未来智能信息系统中高度协调，形成有机的统一，相关学科领域将彼此促进和相互融通。
　　信息获取与处理是指采用探测传感手段获得目标或物体信息并进行处理的技术，是信息技术的重要源头[6]。信息获取与处理以信号为研究对象，研究信号特性以及从信号中获取信息的过程，涵盖了信号的采集、表征、变换和应用等环节。信息的获取又依赖于一定的信息系统，例如，现代雷达是一种综合了电子科学各种先进技术的信息感知与处理系统；图像处理系统是利用计算机对数字图像进行加工、分析和处理，从而达到改善图像质量、压缩图像数据、提取图像信息、理解图像内容等多层次目的的技术系统；多媒体系统是把文字、语言、图像、图形、音频和视频等媒体通过信息融合技术集成，建立内在逻辑连接，并对它们进行采集、传输、解析、处理和应用等的信息系统；声学系统是对声波进行感知、分析与变换，从而提取声波中所携带的有用信息，并对其进行解译的信息系统，这些信息系统涉及电子信息工程、计算机科学与技术等学科中的大量技术要素，因此信息获取与处理系统具备技术系统的属性特征[7]。当前人类社会正处于信息爆炸时代，信息量、信息传播的速度、信息处理的速度以及应用信息的程度等呈几何级数增长。应用技术是信息获取与处理的主要内容，即利用信息技术解决实际问题。当前信息技术已经全面涉及国民经济各大领域，“加快数字化发展，建设数字中国”已经成为《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035 年远景目标纲要》中非常重要的内容。
　　二、计算机学科在整个科学体系中的地位
　　计算机科学与技术作为现代科学技术中发展迅速、影响广泛的学科之一，深刻地影响科学技术、国民经济、社会生产和生活的各个方面。计算机科学与技术的发展和应用水平已成为衡量一个国家综合竞争力的重要标志，对推动科学发现和技术进步、提升工业技术水平和创新产业形态，以及促进经济社会发展起到了无可替代的作用。计算机科学与技术的高速发展推动了国民经济的快速发展，有力地促进了传统产业的革新和现代服务业兴起等重大变革。
　　计算成为继实验验证、理论分析之后的第三科学研究范式，由其支撑的数据范式发展成为科学研究的第四范式。计算机科学与技术为应对全球性挑战提供了新的技术途径，为传统的物理、化学、物质科学、生命科学、能源、生态与环境等研究提供了新的手段。从计算机支持科学家做传统科学研究转向计算嵌入科学研究的全过程，形成了“计算+X ”的新局面，为人类探索和理解世界提供了新的工具与视角。以计算为核心的新兴交叉学科与技术层出不穷，如计算物理、计算化学、计算生物学、计算语言学、计算金融学、计算社会学等，计算机科学与技术已成为发展交叉与汇聚科学的纽带。
　　计算机科学与技术造就的计算系统，包括从小到厘米以下尺度的嵌入式计算机到巨型计算系统，形成了无处不在的计算环境，推动了工业社会向信息社会的迈进。传统工业化与信息化的融合（两化融合）是未来科学技术和社会生活的重要支撑。两化融合迫切需要具有核心竞争力的计算机科学与技术的支撑。装备制造业的升级、智慧城市的建设、社会管理水平的提升等对新型计算模式、网络环境、感知系统、大数据分析等技术都提出了新的挑战。从高等教育的发展可以看出计算机科学与技术的核心作用。计算机类课程已经成为所有理工科甚至文科专业的必修课程，尤其是国际上部分大学的计算机专业学生已经占到在校生总数的1/4 甚至1/3。这反映了来自应用的巨大需求，也得益于硬件系统性能的提升、软件开发方式的改变、交互方式的改进以及网络世界的连通。硬件系统性能的提升使得有更强的算力用于帮助改善人— 机交互所需要的计算；软件开发方式的改变使得软件开发的难度下降，让开发人员可以更多地关注软件的功能，提升了开发的效率；交互方式的改进大大地降低了用户使用计算机和网络的门槛，自然化的交互保证了普通用户以最小的学习代价获得先进工具的使用权；网络世界的连通使得科学仪器、生产设备等通过无处不在的网络便利地进行互联，甚至实现全球科学仪器的协同观测与计算。
　　进入21 世纪后，计算机科学与技术的发展与半导体、微电子、光电子和人工智能的发展密不可分。一方面，这些学科的进步有效地支撑了摩尔定律，推动了计算机硬件的快速发展。在后摩尔时代，新型半导体材料、微纳集成和光电技术的出现有望突破计算可能面临的硬件瓶颈。另一方面，计算机硬件的发展有力地带动了人工智能的进步。
　　三、自动化学科在整个科学体系中的地位
　　自动化学科旨在以代替人或辅助人的方式去完成人类生产、生活和管理活动中的特定任务，减少和减轻人类的体力与脑力劳动，提高工作效率和效益，改善工作效果。自动化科学与技术在近几十年内发展迅速，相关理论科学及技术应用已在国防**、智能制造、机器人、医疗服务等全社会各领域起到了战略支撑作用。
　　自动化学科的发展从产生之日起，就有着鲜明的科学体系定位，既是一系列学科的发展根基，又需要其他学科的发展推动。自动化学科是信息科学与技术的重要组成部分，它关注信息获取、传输与处理等环节，将充分利用信息作为*终目标。自动化学科不仅聚焦于利用信息实现改造自然的目标的数学原理和方法，还聚焦于作为自动化技术载体的技术与装备，因此自动化学科涵盖从理论、方法、技术到设备的各个层面，与数学、机械、软件、电子、电气及其他各类学科都具有紧密的相关性。