交通系统不仅受物理世界的影响，信息空间的影响对其也变得越来越重要。信息空间收集物理对象（如传感器、交通管理中心、信号灯、车辆控制器等）的关键数据，也可以向这些物理对象提供反馈信息，通过这种无缝连接与配合，*终提高交通的安全性、可靠性和机动性。交通设施（道路、桥梁、隧道和铁路等）和交通工具（汽车、货车、轮船、列车等）通过与信息空间进行交互配合，可以为用户提供高效优质的服务，信息空间将在未来交通系统中发挥更加重要的作用。我们将基于物理世界和信息空间深度融合而形成的新型交通系统定义为交通信息物理系统（TCPS）。
交通信息物理系统将广泛应用于智能交通系统和智慧城市，有助于提高交通的安全性、高效性、可持续性和机动性，让人们有更好的交通体验，加速推动社会进步。
本书旨在让相关研究人员和学生对交通信息物理系统形成系统全面的认识，为他们在开展规划设计、系统开发和运营维护等具体工作时提供帮助。
本书可以作为TCPS、交通系统或智能交通系统专业的本科高年级或研究生的教材使用，也可以作为交通领域开展研究的参考书。
序 言
前 言
第1章 交通信息物理系统及其对未来出行的重要性1
1.1 交通信息物理系统简介1
1.2 交通信息物理系统示例及其组件4
1.2.1 航空交通信息物理系统5
1.2.2 铁路交通信息物理系统8
1.2.3 道路交通信息物理系统11
1.2.4 水路交通信息物理系统13
1.3 未来交通信息物理系统：环境和社会效益15
1.3.1 交通信息物理系统的环境效益15
1.3.2 交通信息物理系统的社会效益16
1.4 交通信息物理系统面临的挑战及本书章节安排17
练习21
参考文献22
第2章 交通信息物理系统架构24
2.1 概述24
2.1.1 网联26
2.1.2 开放/开源26
2.1.3 不确定性26
2.2 背景27
2.2.1 架构分析和设计语言27
2.2.2 质量属性29
2.2.3 模拟/数字模型30
2.2.4 框架31
2.3 典型信息物理系统体系架构32
2.4 架构模型的分类34
2.4.1 结构37
2.4.2 标称和误差行为建模38
2.5 现有模式中存在的问题40
2.5.1 移动性/机动性40
2.5.2 敏捷开发41
2.6 新兴架构42
2.6.1 物联网42
2.6.2 云计算架构43
2.6.3 智慧城市架构45
2.7 案例研究48
2.7.1 软件架构50
2.7.2 智慧城市应用质量属性51
2.7.3 移动应用面临的挑战52
2.8 结论52
练习53
参考文献53
第3章 交通信息物理系统协同建模和仿真55
3.1 简介55
3.2 交通信息物理系统工程56
3.2.1 移动性新概念57
3.2.2 信息物理系统与交通57
3.2.3 跨学科的交通信息物理系统58
3.3 基于模型的信息物理系统工程背景58
3.4 面向信息物理系统工程的集成工具链60
3.4.1 协同建模基础60
3.4.2 建立用于协同建模的工具链62
3.4.3 建模技术64
3.5 联合仿真实例：铁路联锁系统67
3.5.1 预置条件67
3.5.2 联锁系统的挑战68
3.5.3 精确的列车运动仿真和挑战68
3.5.4 基于协同模型的分布式联锁设计70
3.5.5 多学科协同建模71
3.5.6 运行联合仿真76
3.5.7 设计空间探索80
3.5.8 硬件在环仿真82
3.6 结论和未来方向83
练习84
参考文献84
第4章 实时控制系统87
4.1 引言87
4.2 实时控制系统中的组件88
4.2.1 典型的实时控制系统88
4.2.2 自动驾驶汽车实时控制系统的结构91
4.2.3 电子控制单元92
4.2.4 自动驾驶汽车的传感器92
4.2.5 执行器103
4.3 自动驾驶汽车实时控制系统103
4.3.1 感知模块104
4.3.2 导航与行为分析模块108
4.3.3 运动规划与控制模块109
4.3.4 交通信息物理系统中的自动驾驶车辆协同117
4.4 结论及未来方向118
练习119
参考文献120
第5章 交通信息物理系统安全和隐私123
5.1 引言123
5.2 基本概念124
5.2.1 威胁125
5.2.2 敌人125
5.2.3 机密性、完整性和可用性127
5.2.4 风险128
5.2.5 攻击树130
5.2.6 杀伤链132
5.2.7 信息安全控制133
5.2.8 机密性、完整性和可用性的扩展134
5.3 交通信息物理系统的威胁和漏洞135
5.3.1 威胁的场景135
5.3.2 攻击面136
5.3.3 对传感器和Wi-Fi的依赖138
5.4 交通信息物理系统的安全模型139
5.4.1 挑战140
5.4.2 信息安全架构142
5.4.3 态势感知143
5.4.4 安全控制144
5.4.5 隐私145
5.4.6 测试和验证147
5.4.7 新兴的标准148
5.5 交通信息物理系统中的信息安全控制149
5.5.1 嵌入式系统安全149
5.5.2 访问控制、加密和标识150
5.5.3 代码签名151
5.5.4 设备认证151
5.5.5 嵌入式防火墙151
5.5.6 嵌入式硬件安全模块152
5.5.7 入侵容限和错误容限152
5.5.8 遥测和消息源153
5.5.9 其他技术153
5.6 案例：网联汽车154
5.6.1 关键利益相关方154
5.6.2 系统和组件架构155
5.6.3 自动驾驶的演进157
5.6.4 威胁和漏洞158
5.6.5 降低威胁159
5.6.6 小结161
5.7 新兴技术161
5.7.1 软件定义网络161
5.7.2 虚拟化162
5.7.3 大数据163
5.7.4 人工智能和机器学习163
5.7.5 区块链164
5.8 总结和展望164
练习166
参考文献166
第6章 交通信息物理系统基础设施169
6.1 交通信息物理系统基础设施概述169
6.2 数据基础设施组网172
6.3 数据采集和摄取175
6.3.1 交通信息物理系统数据源的挑战175
6.3.2 数据代理基础设施176
6.4 数据处理引擎177
6.4.1 用于交通信息物理系统的批处理引擎178
6.4.2 流处理引擎182
6.5 服务层184
6.6 作为代码的交通信息物理系统基础设施185
6.6.1 作为代码的交通信息物理系统云基础设施185
6.6.2 作为代码的物联网基础设施187
6.7 发展方向188
6.8 总结和结论188
练习188
参考文献189
第7章 信息物理系统中的数据管理问题191
7.1 信息物理系统：一个跨学科的融合191
7.2 信息物理系统多样性193
7.3 数据管理问题194
7.3.1 数据管理系统选择194
7.3.2 数据质量问题197
7.3.3 决策过程中的人类认知偏差198
7.3.4 数据管理中的网络安全问题200
7.4 信息物理系统的数据库系统203
7.4.1 基于集群的分布式计算204
7.4.2 宽松的数据一致性需求207
7.4.3 哈希功能208
7.4.4 哈希树209
7.4.5 一致性哈希209
7.4.6 内存映射文件、分布式文件系统和向量时钟210
7.4.7 数据分区、复制、版本控制和压缩211
7.4.8 Elasticsearch：一个搜索和分析引擎212
7.4.9 Elasticsearch系统架构212
7.5 信息物理系统的数据分析216
7.5.1 数据分析的类型216
7.5.2 描述性分析216
7.5.3 诊断分析217
7.5.4 预测分析217
7.5.5 规范分析217
7.5.6 数据分析资源和工具218
7.6 当前的趋势和研究问题218
参考文献219
第8章 交通信息物理系统中的人为因素：SmartATRS案例研究221
8.1 引言221
8.2 相关人为因素方法223
8.2.1 人为因素集成223
8.2.2 以人为中心的设计224
8.2.3 可用性评估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 系统架构229
8.3.3 用户界面设计231
8.3.4 风险分析231
8.3.5 任务分析、可用性、评估和工作量度量233
8.4 讨论241
8.5 结论和展望244
练习245
参考文献246
第9章 交通信息物理系统专业教育体系249
9.1 引言249
9.2 背景252
9.2.1 学术学科252
9.2.2 交通运输系统254
9.2.3 对交通信息物理系统工程师的需求255
9.3 信息物理系统人才需求255
9.4 信息物理系统知识与技能256
9.4.1 信息物理系统课程建议256
9.4.2 信息物理系统知识图谱259
9.4.3 抗解问题263
9.4.4 信息物理系统学科重点课程263
9.5 课程机制264
9.6 结语266
参考文献267
第10章 交通信息物理系统的研究挑战和跨大西洋合作271
10.1 引言271
10.2 预测背景272
10.3 动态复杂系统275
10.4 研究的主要挑战276
10.4.1 信息物理系统的安全性277
10.4.2 信息物理系统测试278
10.4.3 人-交通信息物理系统的交互280
10.4.4 交通信息物理系统验证281
10.4.5 用于控制的大数据分析和机器学习283
10.4.6 交通信息物理系统的操作范例283
10.4.7 研究挑战总结284
10.5 交通信息物理系统研究人员的技能284
10.6 监管环境285
10.7 合作机遇286
10.8 结论286
致谢287
参考文献287
第11章 交通信息物理系统的未来——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/智能传感设施294
11.2.2 大数据基础设施和数据分析能力295
11.2.3 通信技术296
11.3 智慧城市系统297
11.3.1 交通系统298
11.3.2 能源设施303
11.3.3 公共安全305
11.3.4 医疗306
11.3.5 环境307
11.3.6 其他智慧城市设施309
11.3.7 利益相关者310
11.4 智慧城市背景下的新兴交通服务311
11.4.1 冬季实时路况311
11.4.2 智能手机和出行者信息312
11.4.3 智慧路灯314
11.4.4 智能停车315
11.4.5 智能路口316
11.5 全球智慧城市发展情况317
11.5.1 英国伦敦317
11.5.2 韩国首尔319
11.5.3 新加坡320
11.5.4 美国俄亥俄州哥伦布市321
11.6 未来研究方向322
11.6.1 技术323
11.6.2 相关性323
11.6.3 互联系统的弹性324
11.6.4 劳动力发展325
11.7 总结325
练习326
参考文献327
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