浅析信息与计算科学在几个领域中的应用

摘要：经过多年的发展、演变，信息技术从诞生、发展到如今的广泛应用，与数学理论的结合、融合，已成为全世界科研、学界和应用领域的主流。在滤波、解码、编码、信源等方面，都使用数学方法对其概念进行了定量度量和数学描述，由此促使信息技术走入精确定量时代，在此基础上形成了以研究信息的处理、分析、存储、传输、获取、产生等为研究方向的信息技术学科。该文简要论述一些信息与计算科学在几个领域中的应用，仅供交流。

关键词：信息与计算科学；领域；应用

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2017）30-0244-02

人类社会进入信息时代，在信息技术中融入数学技术，这对科技的发展起到了重要的推动作用。而且，数学能够为工程实践与科研提供很好的支持，这一点上科学家、教育家们等都已经达成了共识。

现阶段，信息与计算科学是信息技术的不断深化发展衍生的新型学科，其作为一门新兴的学科，在高校课堂中存在的时间并不是很长，但却對我们的科学技术发展与进步，起到了深远的影响，尤其是在大数据、云计算、智能技术、虚拟技术的背景下，信息技术取得了不断的进步，对当前各个学科、专业、行业的影响范围和作用越来越深刻、也越来越大。

1 基本概念

信息与计算科学专业（Information and Computing Science），为理科专业，包括信息科学与计算数学两个方面。其原名叫做：计算数学，我国教育部在1998年的高校改革中，将计算数学又改名为“信息与计算科学”，从战略层面的意义上是想以信息领域为背景，将数学与信息、计算机管理等专业相结合，大类上来说仍归于计算机科学与技术类专业。招生定位和培养目标上，信息与计算科学旨在培养具有扎实数学基础知识、熟练掌握计算机软硬件以及设计开发的应用型复合人才。自从20世纪90年代以来，信息与计算科学被归属到数学专业中，旨在研究应用现代计算工具解决工程与科学问题的数学方法和理论。

从概念可以看出，计算技术与信息技术相互补充、相互联系，融合成了该门学科。计算科学包括对数值计算方法的分析和设计，以及对理论基础和实践应用的研究。而信息学科主要研究方向有信息利用、信息处理、信息传输和信息获取。（1）在信息利用方面，主要技术是控制技术；（2）在信息处理方面，主要技术有计算技术和信息表示方法等；（3）在信息传输方面，信息安全技术和通信技术的应用较为广泛；（4）在信息获取方面，主要技术包括数据采集技术、遥感技术等。可以说，信息科学与计算科学，两者相互促进、共同发展。

2 具体应用举例

2.1 工程领域：数学计算、科学计算

在工程计算领域，数学的科学计算功能主要体现在：（1）纯科学计算在工程领域中的应用，例如：MATLAB语言（全称是MATrix LABoratory）——一款强大的数学计算平台。它是来自于美国马萨诸塞州的世界领先的技术计算和基于模型的设计的软件开发商和供应商——The MATH WORKS公司研发，该公司自1984年成立以来，就在此领域成绩斐然、硕果累累。这个软件在矩阵计算方面功能超前，素有矩阵实验室之称，多年来一直是工程界进行计算的好帮手。体现在以下几个问题：

第一，它能快速、便捷地计算函数的收敛性。我们知道函数的收敛，是说函数在某点的收敛，当自变量趋向这一点时，其函数值的极限就等于函数在该点的值。这一论证和计算的过程，在许多工程计算上，常常出现，求解过程也是比较复杂和繁冗的，由于求解结果变化大，衡量计算结果正确与否的关键就是看函数是否收敛。但在验证函数是否收敛时，要反复进行多次计算，才能够得到最终的收敛性结果，不利于工程师的工作效率提高，所以，运用MATLAB的编程，就可以轻松实现千万次的收敛性试验，自动解决收敛性的问题，大大提高了计算过程效率和准确性。

第二，MATLAB能快速方便处理工程中的大量矩阵问题。一些科学研究和实践活动中，需要我们在求解最优解，期间会产生很多庞大的矩阵，试图通过人工的方式进行计算庞大的矩阵、数列，是不实际的，就是进行了也多数会出现计算错误的可能性。运用MATLAB平台就简单了，只要我们输入矩阵的形式，选择一定的程序来进行计算，只要输入数据正确，那么得出的记过就是正确的，是可以反复检验的。

第三，建立在工程模型基础上的应用。由于现代工程对精度要求极高，所以需要先建立虚拟模型并进行力学计算，才能确保工程的质量。现代工程计算中常应用的是有限元法，这种方法是把一个模型通过网格划分成为若干个小的单元，并对小单元逐个求解最终得到想要的结果，网格划分地越密，计算精度就越高。在计算机中应用有限元法的基本步骤是：按照预期设计在计算机中建立一个虚拟模型并给定相应的材料常数；对模型进行网格划分，把模型划分成许多的小单元；在模型上施加载荷和约束；进行求解；数据的后处理。经过这些步骤之后能够直观地得到所需要的结果。在这一方面，ABAQUS的应用是十分广泛的，相比于ANSYS等其他工程软件，这款软件具有很大的优势：ABAQUS具有很强的兼容性，它不光能够依靠自身完成建模，同时也能够导入用Auto CAD、ANSYS等其他软件所建成的模型；ANSYS就建模来说并不是最优秀的一款软件，但是其在数据处理上的优势是很明显的，它能够进行模型的静态和动态分析，完成装配接触等操作，想比其他软件在数据处理方面更为强大。另外，ABAQUS还有草图功能，建模中出现的错误能够在草图中得到修正。而其强大的恢复功能保证了在突然断电、故障之后可以紧急存储，从而把损失降低到最小。

目前，科技创新已经不得不依靠信息与计算科学的专业工具，工程界的科技创新，出现了更多的信息与计算类的应用软件或平台，正在改变我们的时代。

2.2 体育领域：比赛临场数据统计与处理软件的开发

近年来，体育比赛领域应用信息与计算科学专业技术，促进比赛的科学、公正、有序，起到了巨大的作用，尤其是，相关人员相继开发了排球比赛临场统计软件，该类软件克服了排球竞赛人工统计过程中指标采集慢、数据整理慢、统计分析慢等不足之处，在相关比赛、竞赛中，应用该软件处理数据信息，不仅方便现场相关人员，而且大大提高了统计与分析时的效率。与此同时，在比赛过程中，及时地把双方运动员、选手的技术、战术的使用效果等信息，准确地反馈给现场教练、辅助人员，这些数据可以帮助他们给参赛的选手、运动员给出科学、合理、有效的技术、战术的策略，从而促进其获得比赛的优胜权、主动权。

另一方面，比赛结束之后，体育项目的组织、实施、参与者，如选手、教练、运动员、科研人员、体育事业决策管理者，可以依据这些现场的实际统计数据、信息，全面总结、分析比賽中的失误、优缺点，以及现场赛事关键点，能够针对性地制作训练计划和应对方案。

当前，国内的球类临场统计软件，多采用VB、VF等可视化开发语言，开发者多是非计算机专业的体育工作者，他们比较了解各项球类技、战术的特点，能够详细了解不同项目的教练员、竞赛组织者的实际需求，能遵循球类比赛数据统计的格式、工作惯例及软件使用者的计算机水平，实现临场统计的录入、编辑、查询、打印等功能。但是，这并不是说这些软件领先于国外欧美水平，国内开发的临场统计软件与国外的相比，在功能上还有一定的差距，我们要不断依靠信息与计算科学专业的新模型、新算法开发更加优越的体育领域专业应用软件或者辅助服务平台。

2.3 金融财经领域：证券模型计算

金融、证券等需要大量的计算，利用互联网、模型计算等方法，解决金融、证券等活动中的理论与实务问题，可以更准确地得到目标结果。例如：有人针对沪深市场和香港市场的指数收益率波动进行对比研究，借助计量经济学中的模型对收益分布和波动性特征合理的描述出来，有效的解释市场的特点，并且为投资决策者提供规避风险和实施有效监督的参考。再如：有人通过多目标组合证券投资模型及其计算，来求解股票问题。途径是从国内的沪深股市的主板、中小创等板块，甄选业绩持续良好的5只绩优股，作为研究样本，研究它们在几年（一般是3-5年）中每月开盘价、收盘价，以及结合其他股票指标信息，利用Excel的强大制表功能、函数引用功能，求出样本股票未来时期的单向期望，同时得出5只绩优股相互之间的协方差矩阵，然后构建均值—方差资产组合模型目标规划方程及多目标规划方程，并求解出结果进行分析，得出想要的结论。程球（2005）提出了一个网格环境下的采用分布式交易结构的模拟证券市场的资源分配模型，并设计了交易市场的主要构件。葛敏霞（2016）选取四组收盘价作为研究对象，首先进行正态性检验、平稳性检验、自相关性检验和ARCH效应检验，检验结果发现四种对数收益率序列表现为尖峰厚尾左偏性，且是平稳分布，具有ARCH效应，认为GARCH族模型能够计算我国股票指数的波动性。

3 结束语

进入信息化时代，人类对信息进行有意义、目的性的挖掘、提炼和分析，来决策行动方向，是推动社会发展的强大动力。在对信息进行这一系列处理的过程中，需大量应用统计分析、计算数学等方法，亟需在信息处理、加工和传输方面具有专长的人才。但是，我国的信息与计算机科学，处于正起步、发展的阶段，其对专业人才的需求应得到社会、政府及高校的重视。我们看到，近年来，我国大多数高校中都开设了信息与计算科学专业，从这方面可看出我国对该专业人才培养的足够重视。在高校中设立该专业，有利于计算机技术的应用和发展，另一方面也有利于数学技术的发展。

总之，正在来临的信息革命，不仅推动了信息时代的发展，还为信息与计算科学的研究与应用开创了光明的前景，信息技术和数学技术已经对人类社会的发展产生了巨大的影响，逐渐深入影响人类的生存与发展的方方面面、角角落落。

参考文献：

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