信息系统工程概论1课件

信息系统工程概论(1)第1章信息化基础知识

1、工业社会：

二百多年以前，由于蒸汽机的发明和电的使用，大大增加了人类的“体能”，力举千钧，日行万里。人类社会从农业时代进入工业时代，生产力得到很大发展。2、信息社会：

六十多年前，在老三论（信息论、系统论和控制论）科学的指导下，人类发明了晶体管和电子计算机，人类不但有更强的“体能”，而且有更聪明更敏锐的“脑袋”，智力得到“放大”，记忆力更强，反应更灵敏，更迅速，计算更快更准，控制更精确，自动化、智能化使生产力有更进一步的发展，人类社会从工业时代进入了信息时代。李约瑟难题

李约瑟难题：尽管中国古代对人类科技发展做出了很多重要贡献，但为什么科学和工业革命没有在近代的中国发生？答案：中国只有技术，没有科学。为什么会造成这种结果？是中国的封建政治体制。正如温总理在政府工作报告中所言：没有政治体制改革，经济体制改革和现代化建设就不可能成功。李约瑟生于伦敦一个有教养的中产阶级。早年在剑桥大学受教育（学士1921年月、硕士1925年1月、博士1925年10月），然后从1924年在剑桥基斯学院的霍普金斯实验室工作，研究胚胎学和形态发生。受英国皇家学会之命，李约瑟从1942年～1946年在中国重庆任中英科学合作馆馆长，收集了大量的中国科学技术史文献，1948年编写了《中国科学技术史》。1994年李约瑟当选为中国科学院外籍院士。

信息的定义和特征信息：关于现实世界的各种知识，是数据、消息中所包含的意义，不随载体物理形式的改变而改变。特征：1、客观性：与客观事实紧密相关；2、适用性：信息对决策十分重要；3、传输性：可在发送者与接收者之间传输；4、共享性：传送给多个用户，为多用户所共享，其本身并无损失。信息论的定义

信息论是研究信息的本质和特点的科学，主要研究信息的产生、获取、处理、传输、存贮及利用的一般规律。研究主要内容：①哲学信息论：研究信息的概念和本质。②基本信息论：研究信息度量和变换。③识别信息论：研究信息的提取方法。④通信理论：研究信息的传递软件。⑤智能理论：研究信息的处理机制。⑥决策理论：研究信息的再生理论。

⑦控制理论：研究信息的调节原则。⑧系统理论：研究信息的组织理论。信息技术（IT）

信息技术（IT）是指信息的产生、获取、处理、存储、传输及其应用的技术，是利用科学的原理、方法及先进的工具和手段，有效地开发和利用信息资源的技术体系。

它可能是机械的、激光的、电子的，也可能是生物的。现代信息技术主要指微电子、计算机、网络、通信、机器人、自动化、智能化、遥感遥测、卫星导航定位等领域，它们在扩展人的信息感官能方面发挥了巨大作用。信息技术的两大支柱：计算机和通信技术信息化内容

信息化内容主要包含六个要素：①信息资源：各种数据库、信息库；②信息基础设施：各种有线或无线的骨干网络，以及相关的支线网络；③信息应用系统：各种MIS、ERP系统和像金税、金关、金卡等应用工程；④信息人力资源：信息技术研究、应用和管理人才⑤信息技术和信息产业：拥有我国自己知识产权的信息技术和强大的信息产业基础；⑥适合信息化发展的宏观环境：完善的相关法律、法规、规范和标准。信息化工程的定义

工程是指将理论和知识应用于实践的科学，一般是指比较大型的工程建设项目。信息化工程是指信息化建设中的新建、升级、改造工程。

信息化工程的范畴涵盖计算机工程、网络工程、通信工程、企业信息化、电子商务、电子政务、自动化系统工程、智能化工程、电子信息系统机房工程、综合布线和防雷接地工程、软件工程、智能卡应用工程、数字地球、数字化工程、系统集成工程，以及有关计算机和信息化建设的工程和项目。信息社会

信息社会（也称为信息时代）指在社会的政治、经济、生活等各方面大规模地生产和利用信息与知识，以知识经济为主导的社会。在信息社会中，信息与信息技术已经渗透到社会生活的各个方面，劳动生产率将大幅度提高；信息将成为社会最重要的资源和财富；信息产业将成为支柱产业，信息社会将是知识密集型社会；人类社会将走向小型化、分散化和多极化。信息社会的主要特征：

（1）信息成为社会的战略资源（2）知识在经济发展中起主导作用（3）信息产业开始成为国民经济主导产业

数字鸿沟数字鸿沟又称为信息鸿沟。它是指当代信息技术领域中存在的差距现象，既存在于信息技术的开发领域，也存在于信息技术的应用领域，特别是指由网络技术产生的差距。有条件者可以上网，并能从网上得到更多的信息资源，而无条件者则只能徘徊在网络的大门之外，从而造成信息化水平的巨大悬殊。英国广播公司（BBC）在新闻广播中则直接把数字鸿沟称为信息富有者和信息贫困者之间的鸿沟系统科学的产生与发展

1、公元前都江堰工程2、20世纪40年代

第二次世界大战以后工业的恢复和发展的需要

3、20世纪60年代

航天工业的发展起了很大推动作用

4、20世纪80年代

计算机和信息技术的高速发展

系统论

系统论是研究系统的模式、性能、行为和规律的一门科学。它为人们认识各种系统的组成、结构、性能、行为和发展规律提供了一般方法论的指导。

（1）自然系统（2）人造系统①工程技术系统②管理系统③科学体系（3）复合系统（4）静态系统与动态系统（5）封闭系统与开放系统（6）实体系统与虚拟系统控制论的发明

1948年维纳发表《控制论》。这个新领域涉及到神经生理学、心理学、计算机科学等多种学科，轰动了全世界。按照这一新的图景,一切物质存在，不管是天体、生物、机器直到人类社会以至于人的思维过程，都构成一定的"系统"，具有不同形式的控制、反馈功能。这就要求一切科学研究打破传统的单因素分析方法，着眼于整体研究。

控制论定义：现代的自动机器和人都是由感觉装置、动作装置、传递信息的系统(神经系统)所组成的一种系统。自动机器和人都是在接收、处理、传递和存贮信息，并利用信息去完成动作，实现与外界的联系。在系统工作中，反馈控制给定控制信号使动作装置(器官)动作。动作结果由感觉装置(器官)检测出来，并反馈回去与给定信号相比较。如果比较有偏差，偏差信号会继续控制动作装置(器官)动作，直到偏差信号消失为止。根据这一理论,一个机械系统完全能进行运算和记忆。1940年，维纳开始考虑计算机如何能像大脑一样工作。他发现了二者的相似性。维纳认为计算机是一个进行信息处理和信息转换的系统,只要这个系统能得到数据,机器本身就应该能做几乎任何事情。而且计算机本身并不一定要用齿轮,导线,轴,电机等部件制成。麻省理工学院的一位教授为了证实维纳的这个观点，甚至用石块和卫生纸卷制造过一台简单的能运行的计算机。反馈控制与前馈控制

控制论具有十分重要的理论意义和实践意义，它体现了现代科学整体化发展趋势，为现代科学技术提供了新的思路和科学方法。控制论的研究表明，无论自动机器，还是神经系统、生命系统，以至经济系统、社会系统，撇开各自的性质、形态、特点，都可以看作是一个自动控制系统。系统控制方法分为两种：（1）反馈控制反馈控制是一种技术方法，“控制信息→反馈信息→控制信息”形成闭环的信息通道，可以应用于各种场合，完成具有各种目的性的控制任务。反馈控制对系统的控制和稳定起着决定性的作用，无论是生物体保持自身的动态平稳（如温度、血压的稳定），或是机器自动保持自身功能的稳定，都是通过反馈机制实现的。反馈是控制论的核心问题。（2）前馈控制前馈控制是没有反馈信息的控制系统，只有前馈的控制信息通道，通常只应用于比较简单的场合，在工程中较少采用。控制论的基本方法

控制论是具有方法论意义的科学理论。控制论的理论、观点，可以成为研究各门科学问题的科学方法，这就是撇开各门科学的性质和特点，把它们看作是一个控制系统，分析它的信息流程、反馈机制和控制原理，往往能够寻找到使系统达到最佳状态的方法，这种方法称为控制方法。控制论的基本方法是黑盒方法、类比方法、功能模拟方法等。类比方法

类比就是类似、比较的意思。类比方法是基于各种不同事物之间的相似性（共性），进行模拟、比较、联想、推理的科学方法。在控制论中，利用类比方法，研究了自动机器与生物有机体之间的相似性，发现了它们在控制与通信过程中都以获取反馈信息作为实现有目的性行为的重要条件的共同规律。并且，从生物的自适应、自学习、自组织、自修复、自繁殖等控制和调节机制中得到启发，提出了自动机器设计的新概念、新原理，产生和发展了控制论系统的新的设计思想；研制了具有类似于动物的某些行为，被称为控制论动物的自动装置。系统辨识与系统仿真

在控制论的研究中，运用黑盒方法和类比方法，还进一步发展了系统辨识与系统仿真方法和技术。

1、系统辨识：是利用实验观测数据，建立系统的数学模型，辨识模型的参数。

2、系统仿真：用数学模型、物理模型或技术模型，对实际系统的功能和行为特性，进行模拟试验和分析研究。功能模拟法

功能模拟法是用功能模型来模仿客体原型的功能和行为的方法。所谓功能模型就是只以功能行为是相似为基础而建立的模型。如猎手瞄准猎物的过程与自动火炮系统的功能行为是相似的，但二者的内部结构和物理过程是截然不同的，这就是一种功能模拟。功能模拟法为仿生学、人工智能、价值工程提供了科学方法。维纳的控制论发表后，在哲学界曾引起轩然大波。此书副标题是“动物和机器中的控制和通信”。人也是动物，把人和机器并列，以至等同起来，有（冒犯）人类尊严之嫌，惹怒了不少哲学家，就象哥白尼把地球从宇宙的中心搬到太阳系的一个角落而触怒了教皇一样。前苏联哲学家首先发起攻击，称控制论是一种反动的伪科学，是现代机械论的一种新形式（见前苏联《哲学辞典》，第四版，1954年）。还有更严重的批评说，控制论是为帝国主义服务的战争工具等（见1954年前出版的《苏联大百科全书》）。维纳在社会主义国家被视为反动的伪科学家和帝国主义的帮凶。维纳受到的咒骂和人身攻击控制论的发展

1954年，就在维纳被咒骂为美帝国主义走狗之时，钱学森用英文写的《工程控制论》被友人偷带出去在美国出版了，迅速被译成德、法、日、中、俄文版。作者系统地揭示了控制论对自动化、航空、航天、电子通信等科学技术的意义和深远影响。书内未触及到人类这种动物的尊严，写的全是技术科学。包括前苏联在内的世界各国科学界立即接受了这一新学科，从而吸引了大批数学家、工程技术专家从事控制论的研究，推动了五六十年代该学科发展的高潮。在这种形势下，原持批判态度的哲学家们只好放下武器，悄悄修改了各辞书中的骂人词条，肯定控制论是一门“研究信息和控制一般规律的新兴学科”。1958年钱学森史无前例地获中国政府颁发的一万元科学奖金WeinerNobert生平介绍（2）

1925年以后，在调和分析的研究上又有重大突破，其成果成为后来巴拿赫代数理论的基础。

1929年任麻省理工学院副教授（1932年后一直为该校教授）1932年同霍普夫共同研究一种积分方程，称维纳-霍普夫方程。1933年任美国国家科学院院士，并获美国数学会的博赫尔奖。1935-1936年他在中国清华大学作访问教授期间和李郁荣合作研究傅里叶变换滤波器。(李郁荣教授在麻省理工学院学习时，与维纳建立了友谊，是他邀请维纳来清华访问。维纳回国后，又鼓动著名数学家、普林斯顿高级研究院终身教授冯·诺伊曼来清华访问，诺伊曼夫妇对此很感兴趣，维纳还正式向当时清华校长梅贻琦、李郁荣和数学系主任熊庆来做了推荐，但两个月后抗战爆发，结果未能如愿。)30年代开始，维纳关注布什研究的模拟计算机，他还和生理学家研究大脑对肢体的控制过程。第二次世界大战开始后，他参加火力控制研究，从而使他进入到控制论的研究和创立的过程中。大战结束后，维纳和多种学科的专家一起对控制论作深入探讨。

1948年他发表了划时代的著作《控制论》。维纳还有两本自传《昔日神童》和《我是一个数学家》。1964年在瑞典斯德哥尔摩因心脏病发作去世。终年70岁。

微电子技术

微电子技术是指以集成电路技术为代表，制造和使用微小型电子元件、器件和电路，实现电子系统功能的新型技术学科，它也特指大规模集成电路的制造和运用技术。微电子是信息产业的命脉，微电子技术是信息技术的关键技术，其核心就是集成电路。

集成电路（IC）是二十世纪五十年代问世的，它以半导体单晶片为材料，经平面工艺加工制造，将大量晶体管、电阻、电容等元器件及互连线构成的电子线路集成在基片上，构成一个微型化的电路或系统。莫尔定律

莫尔第一定律：一九六五年美国莫尔博士预测，每年集成电路（IC）上的晶体管数目将翻一番。到了一九七五年，他把预测修正为每二年集成电路上的晶体管数目翻一番，后来，人们把它修正为每１年半翻一番。它引起了集成电路性能／价格比的快速变化，引起了微电脑的迅速更新换代，从二十世纪８０年代至今，微电脑IBMPC，AT，286，386，486，586，奔腾，奔腾-2，奔腾-3……，不断更新换代。现在集成电路已从当年3μｍ技术发展至今天0.045μｍ技术，一个集成电路上从几千个晶体管，发展至今超过8亿个晶体管。

莫尔第二定律：为了保持集成电路产业的竞争力，每隔三至四年，生产线的投资就要翻一番。

通信技术

现代通信技术是指使用电波或光波传输信息的技术。通信的任务就是传递信息，因而通信至少要由三个要素组成，即信息的发送者（信源）、信息的接收者（信宿）、信息的载体与传播媒介（信道）

传送的信号有两种形式：（1）模拟信号（2）数字信号通信技术分类

1．有线载波通信：利用频率分割原理实现有线信道上的多路复用2．光纤通信：光纤由直径大约为0.1mm的细石英玻璃丝构成，透明、比头发丝还细。光波电磁波高出几个数量级，因此光纤通信容量极大。3．微波通信：无线电波可以按频率（或波长）分成中波、短波、超短波和微波。中波主要沿地面传播，绕射能力强，适用于广播和海上通信。短波具有较强的电离层反射能力，适用于环球通信。超短波和微波的绕射能力较差，可作为视距或超视距中继通信4．卫星通信：利用人造地球卫星作为中继站来转发无线电信号，实现在两个或多个地球站之间的通信。5．移动通信：处于移动状态的对象之间的通信，包括蜂窝移动、集群调度、无绳电话、寻呼系统和卫星系统，最有代表性的是手机计算机工作原理

1946年2月，世界上第一台用电子管制造的电子数字计算机在美国宾夕法尼亚大学诞生，取名ENIAC（埃尼阿克）。这台计算机共用了1万8千多个电子管，占地170m2，总重量为30吨，运算速度达到每秒能进行5000次加法、300次乘法。

现代计算机的基本工作原理（冯·诺依曼原理）：①电子计算机基本结构：电子计算机是由硬件系统和软件系统两大部分组成的，其中硬件系统计算机包括运算器、存储器、控制器、输入设备和输出设备五大基本部件。②电子计算机中数的表示：采用二进制表示指令和数据。

③电子计算机以运算器为中心：输入输出设备与存储器的数据传送通过运算器。④电子计算机工作原理：●存储程序：编写好的程序和原始数据，输入并存储在内存储器中●程序控制：计算机按照程序逐条取出指令加以分析，并执行指令规定的操作。现代电子计算机的发展历程

（1）第一代电子计算机：从1946年至1958年。用电子管作为电子器件，体积庞大，运算速度低，存储容量小，价格昂贵，使用不方便。主要用于科学计算。（2）第二代电子计算机：从1958年到1965年。用晶体管作为电子器件，运算速度提高近百倍，体积为原来几十分之一。软件开始使用计算机算法语言。用于科学计算，数据处理和事务处理及工业控制。（3）第三代电子计算机：从1965年到1970年。以中、小规模集成电路为电子器件，出现操作系统，功能越来越强，应用范围越来越广。不仅用于科学计算，还用于文字处理、企业管理、自动控制等领域。（4）第四代电子计算机：从1970年后采用大规模集成电路（LSI）和超大规模集成电路（VLSI）为主要电子器件，包括个人电脑（PC）（5）第五代计算机：把信息采集、存储、处理、通信和人工智能结合一起具有形式推理、联想、学习、智能会话和解释能力，并能直接处理声音、文字、图像等信息。它的系统结构将突破传统的冯·诺依曼原理的概念，摆脱掉传统计算机的技术限制，实现高度的智能并行处理。信息技术发展的十五年周期定律

从信息技术应用的规模、普及程度，以及对国民经济和人们生活影响的程度来看，现代信息技术发展阶段与现代计算机技术和通讯技术的发展历程密不可分。根据IBM前首席执行官郭士纳的观点，计算模式每隔15年发生一次重大变革，被称为“十五年周期定律”。

（1）大计算机阶段：从1965年至1980年，即个人电脑（PC）普及应用前的15年间，信息技术主要应用于大企业、银行、机场、港口、国防，以及其他一些大单位或重要部门。

（2）个人电脑阶段：从1980年至1995年，随着个人电脑（PC）在全球获得广泛普及的应用，信息技术进入并渗透到人类社会的每一个角落，给人类社会带来巨大冲击。

（3）互联网阶段：从1995年到2010年，随着计算机网络，特别是互联网（Internet）获得广泛普及的应用，数字化资源共享和电子商务等发展的如火如荼，改变了人们的生活工作环境。

（4）物联网阶段：从2010年以后，基于互联网（Internet）的物联网、云计算、智慧地球，以及无线网络和移动商务等信息技术发展迅速，大有星星之火可以燎原之势，对人类社会的影响更加深刻。全球信息化发展的基本趋势党支部

1、广泛应用、高度渗透的信息技术正孕育着新的重大突破。

2、信息资源日益成为重要生产要素、无形资产和社会财富。

3、信息网络更加普及并日趋融合。

4、信息化与经济全球化相互交织，推动着全球产业分工深化和经济结构调整，重塑着全球经济竞争格局。

5、互联网加剧了各种思想文化的相互激荡，成为信息传播和知识扩散的新载体。

6、电子政务在提高行政效率、改善政府效能、扩大民主参与等方面的作用日益显著。

7、信息安全的重要性与日俱增，成为各国面临的共同挑战。

8、信息化使现代战争形态发生重大变化，是世界新军事变革的核心内容。

9、全球数字鸿沟呈现扩大趋势，发展失衡现象日趋严重。发达国家信息化发展目标更加清晰，正在出现向信息社会转型的趋向；越来越多的发展中国家主动迎接信息化发展带来的新机遇，力争跟上时代潮流。

10、全球信息化正在引发当今世界的深刻变革，重塑世界政治、经济、社会、文化和军事发展新格局。加快信息化发展已成为世界各国的共同选择我国高度重视信息化

党中央、国务院一直高度重视信息化工作。20世纪90年代，相继启动了以金关、金卡和金税为代表的重大信息化应用工程；1997年，召开了全国信息化工作会议；党的十五届五中全会把信息化提到了国家战略的高度；党的十六大进一步作出了以信息化带动工业化、以工业化促进信息化、走新型工业化道路的战略部署；党的十六届五中全会再一次强调，推进国民经济和社会信息化，加快转变经济增长方式。“十五”期间，国家信息化领导小组对信息化发展重点进行了全面部署，作出了推行电子政务、振兴软件产业、加强信息安全保障、加强信息资源开发利用、加快发展电子商务等一系列重要决策。各地区各部门从实际出发，认真贯彻落实，不断开拓进取，我国信息化建设取得了可喜的进展。

我国信息化发展的进展情况

（1）信息网络实现跨越式发展，成为支撑经济社会发展重要的基础设施。（2）信息产业持续快速发展，对经济增长贡献度稳步上升。（3）信息技术在国民经济和社会各领域的应用效果日渐显著。（4）电子政务稳步展开，成为转变政府职能、提高行政效率、推进政务公开的有效手段。（5）信息资源开发利用取得重要进展。基础信息资源建设工作开始起步，互联网上中文信息比重稳步上升，信息资源开发利用水平不断提高。（6）信息安全保障工作逐步加强。（7）国防和军队信息化建设全面展开。（8）信息化基础工作进一步改善。信息化发展中值得重视的问题

当前我国信息化发展也存在着一些亟待解决的问题：（1）思想认识需要进一步提高。（2）信息技术自主创新能力不足。（3）信息技术应用水平不高。（4）信息安全问题仍比较突出。（5）数字鸿沟有所扩大。（6）体制机制改革相对滞后。我国信息化发展的指导思想

以邓小平理论和“三个代表”重要思想为指导，贯彻落实科学发展观，坚持以信息化带动工业化、以工业化促进信息化，坚持以改革开放和科技创新为动力，大力推进信息化，充分发挥信息化在促进经济、政治、文化、社会和军事等领域发展的重要作用，不断提高国家信息化水平，走中国特色的信息化道路，促进我国经济社会又快又好地发展。

我国信息化发展的战略方针

统筹规划、资源共享，深化应用、