前言

道路交通系统是人类建造的大型工程系统，承载了现代社会生产生活所必需的人、货物和车辆移动交流的重大需求。由于人的直接参与，在大型城市里，如果道路交通系统完全自由地运行，几乎没有安全与效率可言，甚至无法实现现代交通的功能。如何有效管理、干预和控制道路交通系统，使之安全高效运行，一直是交通及相关科学技术领域研究的重要课题。

智能交通系统的开发与应用，将先进的电子信息技术引入道路交通系统中，使得道路交通系统逐步具有了新的能力：智能——一种对信息进行自动计算处理并使之发挥效用的能力。智能交通系统通过信息在交通系统中的广泛应用，提升各类交通实体内置品质，强化交通系统各种要素协作交互能力，消除交通系统信息孤岛，协同控制，使交通流量在道路系统中均衡分布，实现了大幅提升交通安全和通行效率水平的控制目标。

然而，当道路系统高强度使用、负载大幅度不均衡变化、突发紧急事件等情况出现时，智能交通系统只能为交通管理者提供和调度各种动态交通信息，起到辅助决策和快速发布执行决策指令等功能性作用。很明显，在大范围交通瞬息变化过程中，仅仅依靠人的决策能力是不够的，信息及其自动计算的作用不能被充分发挥，交通系统运行还是面临效率低下的问题，在比较极端的情况下，交通系统运行还面临崩溃和瘫痪的风险。

信息科学理论和电子信息技术的发展，为构建信息型可控、可信、可靠的道路交通控制系统，实现交通系统运行安全、高效管理与控制需求，提供了新的研究角度。

现代道路交通网络构造了一个四通八达、实实在在的用于交通运输的物理系统，用于人与物品的出行与运输；电子计算机及其通信网络构造了一个在世界范围内互联互通的通信网络，用于信息的流动、交换和计算。交通网络和计算机网络上都有“交通”（Traffic），前者是人、车、货等实体的运输流动，后者则是虚拟的电子信息交换流动。一个实，一个虚，但流动交换都带来价值提升，具有相似的价值增值规律。在交通中，人、车和物的交通运动产生大量信息，同样，安全高效的交通运输活动又高度依赖各种信息。交通系统中电子信息系统装置可以采集、传送交通系统运行产生的信息，也可以存储、计算、制造控制信息，并能调度这些信息，使之作用于交通系统的运行，提升交通系统安全高效运行的水平。实在的交通与虚拟的信息是无法分割的异构要素，如何面向交通系统运行遇到的各种复杂难题，将道路交通系统与电子信息系统通过计算、通信、控制等技术融合起来，构建面向安全与效率需求、信息主导、计算驱动的新型系统——交通信息与交通运行融合系统？

实现交通与信息高度融合，构建交通信息物理系统，不是简单地研发电子的信息装置并将其添加到交通系统中，或者开发和应用更多、更好的交通管理和控制软件产品；也不是简单地将最新的计算、通信、控制技术应用到道路交通系统。构建交通信息物理系统，首先要研究交通系统运行的基本信息规律、交通进程的受控规律和数据处理与信息计算的进程规律。其研究如何将交通信息及其计算进程与交通系统运行的物理进程进行融合，形成高度信息化的道路交通系统。在交通信息物理系统中，信息无处不在，且互联互通、无信息孤岛；计算无处不在，且在需要之处、需要之时；信息的效用实实在在，无论是在物理过程、系统过程，还是行为过程中。

交通信息物理系统是信息物理系统研究在交通中的应用，是关于构建信息型交通系统的理论与方法。与国家电网、大型土建基础设施等信息物理系统的应用相比，交通信息物理系统包含着更为复杂的交通行为问题。站在系统的角度研究交通，通常可以简化交通行为，在满足一定条件的前提下，这种简化并不影响对交通系统运行的描述。然而，交通系统运行不是单纯的物理运动，牛顿定律和能量守恒等定律无法完全准确地描述这个系统的运行规律。交通具有明显的行为特性，在许多复杂情况下，交通行为的特性根本无法被简化。重要的是，无论是个体还是群体，社会化的交通行为都是由信息主导的行为表现。这些行为是由各种思维活动驱动的，且行为进程与信息进程高度融合、协同：行为的每个进程细节之中都有信息的作用，所有思维成果都会以行为进程来表现，且当没有可用信息或信息质量较差时，行为进程会表现出更多的不确定性，行为效率下降。幸运的是，交通行为堪称信息进程与行为活动进程融合的典范，对行为的相关研究也可为交通信息物理系统研究提供重要参考。交通信息物理系统需要更多的信息、更强的信息计算能力，可以更充分地发挥信息效用，以达到更高的信息与交通融合水平。

本书面向交通系统运行面临的问题和管控需求，尝试从信息科学的角度出发分析交通系统，探讨信息计算与交通运行融合的机制，围绕交通科学理论，综合应用现代计算、通信和控制等技术，构建交通物理系统，使得交通运行更加安全、高效和节能。由于相关研究目前处于探索阶段，存在缺乏足够的数据或实验支持模型表达等问题，或存在观点和方法方面的争议，因此本书以导论为名，表述所做的探索研究为今后深入研究进行尝试。

本书第1章概述了信息物理系统相关理论及道路交通系统面临的问题与管理控制需求；第2章和第3章从信息角度讨论了交通信息物理系统的框架；第4章对信息计算进程与交通进程关系进行探讨分析；第5章探讨交通系统进程的信息描述方法——模型；第6章讨论面向交通管控的计算问题；第7章讨论了交通数据信息采集和处理；第8章具体分析了交通信号控制、交通系统控制等进程特征；第9章分析了交通行为进程的信息特性及行为控制方法。

本书第1～4章、第9章由石建军编写，第5章、第6章、第7章、第8章分别由吴旭、李鹏飞、陈阳舟、曹静负责编写。书籍撰写期间，得到北京工业大学城市交通学院多届研究生的协助，在此一并表示感谢。

石建军

于北京工业大学

2021年10月