交通系統(tǒng)不僅受物理世界的影響，信息空間的影響對其也變得越來越重要。信息空間收集物理對象（如傳感器、交通管理中心、信號(hào)燈、車輛控制器等）的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，也可以向這些物理對象提供反饋信息，通過這種無縫連接與配合，*終提高交通的安全性、可靠性和機(jī)動(dòng)性。交通設(shè)施（道路、橋梁、隧道和鐵路等）和交通工具（汽車、貨車、輪船、列車等）通過與信息空間進(jìn)行交互配合，可以為用戶提供高效優(yōu)質(zhì)的服務(wù)，信息空間將在未來交通系統(tǒng)中發(fā)揮更加重要的作用。我們將基于物理世界和信息空間深度融合而形成的新型交通系統(tǒng)定義為交通信息物理系統(tǒng)（TCPS）。
交通信息物理系統(tǒng)將廣泛應(yīng)用于智能交通系統(tǒng)和智慧城市，有助于提高交通的安全性、高效性、可持續(xù)性和機(jī)動(dòng)性，讓人們有更好的交通體驗(yàn)，加速推動(dòng)社會(huì)進(jìn)步。
本書旨在讓相關(guān)研究人員和學(xué)生對交通信息物理系統(tǒng)形成系統(tǒng)全面的認(rèn)識(shí)，為他們在開展規(guī)劃設(shè)計(jì)、系統(tǒng)開發(fā)和運(yùn)營維護(hù)等具體工作時(shí)提供幫助。
本書可以作為TCPS、交通系統(tǒng)或智能交通系統(tǒng)專業(yè)的本科高年級或研究生的教材使用，也可以作為交通領(lǐng)域開展研究的參考書。
序 言
前 言
第1章 交通信息物理系統(tǒng)及其對未來出行的重要性1
1.1 交通信息物理系統(tǒng)簡介1
1.2 交通信息物理系統(tǒng)示例及其組件4
1.2.1 航空交通信息物理系統(tǒng)5
1.2.2 鐵路交通信息物理系統(tǒng)8
1.2.3 道路交通信息物理系統(tǒng)11
1.2.4 水路交通信息物理系統(tǒng)13
1.3 未來交通信息物理系統(tǒng)：環(huán)境和社會(huì)效益15
1.3.1 交通信息物理系統(tǒng)的環(huán)境效益15
1.3.2 交通信息物理系統(tǒng)的社會(huì)效益16
1.4 交通信息物理系統(tǒng)面臨的挑戰(zhàn)及本書章節(jié)安排17
練習(xí)21
參考文獻(xiàn)22
第2章 交通信息物理系統(tǒng)架構(gòu)24
2.1 概述24
2.1.1 網(wǎng)聯(lián)26
2.1.2 開放/開源26
2.1.3 不確定性26
2.2 背景27
2.2.1 架構(gòu)分析和設(shè)計(jì)語言27
2.2.2 質(zhì)量屬性29
2.2.3 模擬/數(shù)字模型30
2.2.4 框架31
2.3 典型信息物理系統(tǒng)體系架構(gòu)32
2.4 架構(gòu)模型的分類34
2.4.1 結(jié)構(gòu)37
2.4.2 標(biāo)稱和誤差行為建模38
2.5 現(xiàn)有模式中存在的問題40
2.5.1 移動(dòng)性/機(jī)動(dòng)性40
2.5.2 敏捷開發(fā)41
2.6 新興架構(gòu)42
2.6.1 物聯(lián)網(wǎng)42
2.6.2 云計(jì)算架構(gòu)43
2.6.3 智慧城市架構(gòu)45
2.7 案例研究48
2.7.1 軟件架構(gòu)50
2.7.2 智慧城市應(yīng)用質(zhì)量屬性51
2.7.3 移動(dòng)應(yīng)用面臨的挑戰(zhàn)52
2.8 結(jié)論52
練習(xí)53
參考文獻(xiàn)53
第3章 交通信息物理系統(tǒng)協(xié)同建模和仿真55
3.1 簡介55
3.2 交通信息物理系統(tǒng)工程56
3.2.1 移動(dòng)性新概念57
3.2.2 信息物理系統(tǒng)與交通57
3.2.3 跨學(xué)科的交通信息物理系統(tǒng)58
3.3 基于模型的信息物理系統(tǒng)工程背景58
3.4 面向信息物理系統(tǒng)工程的集成工具鏈60
3.4.1 協(xié)同建�；A(chǔ)60
3.4.2 建立用于協(xié)同建模的工具鏈62
3.4.3 建模技術(shù)64
3.5 聯(lián)合仿真實(shí)例：鐵路聯(lián)鎖系統(tǒng)67
3.5.1 預(yù)置條件67
3.5.2 聯(lián)鎖系統(tǒng)的挑戰(zhàn)68
3.5.3 精確的列車運(yùn)動(dòng)仿真和挑戰(zhàn)68
3.5.4 基于協(xié)同模型的分布式聯(lián)鎖設(shè)計(jì)70
3.5.5 多學(xué)科協(xié)同建模71
3.5.6 運(yùn)行聯(lián)合仿真76
3.5.7 設(shè)計(jì)空間探索80
3.5.8 硬件在環(huán)仿真82
3.6 結(jié)論和未來方向83
練習(xí)84
參考文獻(xiàn)84
第4章 實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)87
4.1 引言87
4.2 實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)中的組件88
4.2.1 典型的實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)88
4.2.2 自動(dòng)駕駛汽車實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)91
4.2.3 電子控制單元92
4.2.4 自動(dòng)駕駛汽車的傳感器92
4.2.5 執(zhí)行器103
4.3 自動(dòng)駕駛汽車實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)103
4.3.1 感知模塊104
4.3.2 導(dǎo)航與行為分析模塊108
4.3.3 運(yùn)動(dòng)規(guī)劃與控制模塊109
4.3.4 交通信息物理系統(tǒng)中的自動(dòng)駕駛車輛協(xié)同117
4.4 結(jié)論及未來方向118
練習(xí)119
參考文獻(xiàn)120
第5章 交通信息物理系統(tǒng)安全和隱私123
5.1 引言123
5.2 基本概念124
5.2.1 威脅125
5.2.2 敵人125
5.2.3 機(jī)密性、完整性和可用性127
5.2.4 風(fēng)險(xiǎn)128
5.2.5 攻擊樹130
5.2.6 殺傷鏈132
5.2.7 信息安全控制133
5.2.8 機(jī)密性、完整性和可用性的擴(kuò)展134
5.3 交通信息物理系統(tǒng)的威脅和漏洞135
5.3.1 威脅的場景135
5.3.2 攻擊面136
5.3.3 對傳感器和Wi-Fi的依賴138
5.4 交通信息物理系統(tǒng)的安全模型139
5.4.1 挑戰(zhàn)140
5.4.2 信息安全架構(gòu)142
5.4.3 態(tài)勢感知143
5.4.4 安全控制144
5.4.5 隱私145
5.4.6 測試和驗(yàn)證147
5.4.7 新興的標(biāo)準(zhǔn)148
5.5 交通信息物理系統(tǒng)中的信息安全控制149
5.5.1 嵌入式系統(tǒng)安全149
5.5.2 訪問控制、加密和標(biāo)識(shí)150
5.5.3 代碼簽名151
5.5.4 設(shè)備認(rèn)證151
5.5.5 嵌入式防火墻151
5.5.6 嵌入式硬件安全模塊152
5.5.7 入侵容限和錯(cuò)誤容限152
5.5.8 遙測和消息源153
5.5.9 其他技術(shù)153
5.6 案例：網(wǎng)聯(lián)汽車154
5.6.1 關(guān)鍵利益相關(guān)方154
5.6.2 系統(tǒng)和組件架構(gòu)155
5.6.3 自動(dòng)駕駛的演進(jìn)157
5.6.4 威脅和漏洞158
5.6.5 降低威脅159
5.6.6 小結(jié)161
5.7 新興技術(shù)161
5.7.1 軟件定義網(wǎng)絡(luò)161
5.7.2 虛擬化162
5.7.3 大數(shù)據(jù)163
5.7.4 人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)163
5.7.5 區(qū)塊鏈164
5.8 總結(jié)和展望164
練習(xí)166
參考文獻(xiàn)166
第6章 交通信息物理系統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施169
6.1 交通信息物理系統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施概述169
6.2 數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施組網(wǎng)172
6.3 數(shù)據(jù)采集和攝取175
6.3.1 交通信息物理系統(tǒng)數(shù)據(jù)源的挑戰(zhàn)175
6.3.2 數(shù)據(jù)代理基礎(chǔ)設(shè)施176
6.4 數(shù)據(jù)處理引擎177
6.4.1 用于交通信息物理系統(tǒng)的批處理引擎178
6.4.2 流處理引擎182
6.5 服務(wù)層184
6.6 作為代碼的交通信息物理系統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施185
6.6.1 作為代碼的交通信息物理系統(tǒng)云基礎(chǔ)設(shè)施185
6.6.2 作為代碼的物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施187
6.7 發(fā)展方向188
6.8 總結(jié)和結(jié)論188
練習(xí)188
參考文獻(xiàn)189
第7章 信息物理系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)管理問題191
7.1 信息物理系統(tǒng)：一個(gè)跨學(xué)科的融合191
7.2 信息物理系統(tǒng)多樣性193
7.3 數(shù)據(jù)管理問題194
7.3.1 數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)選擇194
7.3.2 數(shù)據(jù)質(zhì)量問題197
7.3.3 決策過程中的人類認(rèn)知偏差198
7.3.4 數(shù)據(jù)管理中的網(wǎng)絡(luò)安全問題200
7.4 信息物理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)203
7.4.1 基于集群的分布式計(jì)算204
7.4.2 寬松的數(shù)據(jù)一致性需求207
7.4.3 哈希功能208
7.4.4 哈希樹209
7.4.5 一致性哈希209
7.4.6 內(nèi)存映射文件、分布式文件系統(tǒng)和向量時(shí)鐘210
7.4.7 數(shù)據(jù)分區(qū)、復(fù)制、版本控制和壓縮211
7.4.8 Elasticsearch：一個(gè)搜索和分析引擎212
7.4.9 Elasticsearch系統(tǒng)架構(gòu)212
7.5 信息物理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析216
7.5.1 數(shù)據(jù)分析的類型216
7.5.2 描述性分析216
7.5.3 診斷分析217
7.5.4 預(yù)測分析217
7.5.5 規(guī)范分析217
7.5.6 數(shù)據(jù)分析資源和工具218
7.6 當(dāng)前的趨勢和研究問題218
參考文獻(xiàn)219
第8章 交通信息物理系統(tǒng)中的人為因素：SmartATRS案例研究221
8.1 引言221
8.2 相關(guān)人為因素方法223
8.2.1 人為因素集成223
8.2.2 以人為中心的設(shè)計(jì)224
8.2.3 可用性評估225
8.2.4 交互模式226
8.3 案例研究226
8.3.1 需求228
8.3.2 系統(tǒng)架構(gòu)229
8.3.3 用戶界面設(shè)計(jì)231
8.3.4 風(fēng)險(xiǎn)分析231
8.3.5 任務(wù)分析、可用性、評估和工作量度量233
8.4 討論241
8.5 結(jié)論和展望244
練習(xí)245
參考文獻(xiàn)246
第9章 交通信息物理系統(tǒng)專業(yè)教育體系249
9.1 引言249
9.2 背景252
9.2.1 學(xué)術(shù)學(xué)科252
9.2.2 交通運(yùn)輸系統(tǒng)254
9.2.3 對交通信息物理系統(tǒng)工程師的需求255
9.3 信息物理系統(tǒng)人才需求255
9.4 信息物理系統(tǒng)知識(shí)與技能256
9.4.1 信息物理系統(tǒng)課程建議256
9.4.2 信息物理系統(tǒng)知識(shí)圖譜259
9.4.3 抗解問題263
9.4.4 信息物理系統(tǒng)學(xué)科重點(diǎn)課程263
9.5 課程機(jī)制264
9.6 結(jié)語266
參考文獻(xiàn)267
第10章 交通信息物理系統(tǒng)的研究挑戰(zhàn)和跨大西洋合作271
10.1 引言271
10.2 預(yù)測背景272
10.3 動(dòng)態(tài)復(fù)雜系統(tǒng)275
10.4 研究的主要挑戰(zhàn)276
10.4.1 信息物理系統(tǒng)的安全性277
10.4.2 信息物理系統(tǒng)測試278
10.4.3 人-交通信息物理系統(tǒng)的交互280
10.4.4 交通信息物理系統(tǒng)驗(yàn)證281
10.4.5 用于控制的大數(shù)據(jù)分析和機(jī)器學(xué)習(xí)283
10.4.6 交通信息物理系統(tǒng)的操作范例283
10.4.7 研究挑戰(zhàn)總結(jié)284
10.5 交通信息物理系統(tǒng)研究人員的技能284
10.6 監(jiān)管環(huán)境285
10.7 合作機(jī)遇286
10.8 結(jié)論286
致謝287
參考文獻(xiàn)287
第11章 交通信息物理系統(tǒng)的未來——智慧城市292
11.1 什么是智慧城市292
11.2 智慧城市主要特征294
11.2.1 智慧/智能傳感設(shè)施294
11.2.2 大數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施和數(shù)據(jù)分析能力295
11.2.3 通信技術(shù)296
11.3 智慧城市系統(tǒng)297
11.3.1 交通系統(tǒng)298
11.3.2 能源設(shè)施303
11.3.3 公共安全305
11.3.4 醫(yī)療306
11.3.5 環(huán)境307
11.3.6 其他智慧城市設(shè)施309
11.3.7 利益相關(guān)者310
11.4 智慧城市背景下的新興交通服務(wù)311
11.4.1 冬季實(shí)時(shí)路況311
11.4.2 智能手機(jī)和出行者信息312
11.4.3 智慧路燈314
11.4.4 智能停車315
11.4.5 智能路口316
11.5 全球智慧城市發(fā)展情況317
11.5.1 英國倫敦317
11.5.2 韓國首爾319
11.5.3 新加坡320
11.5.4 美國俄亥俄州哥倫布市321
11.6 未來研究方向322
11.6.1 技術(shù)323
11.6.2 相關(guān)性323
11.6.3 互聯(lián)系統(tǒng)的彈性324
11.6.4 勞動(dòng)力發(fā)展325
11.7 總結(jié)325
練習(xí)326
參考文獻(xiàn)327
書單推薦
