交通信息物理系統（簡體書）

交通不再受到物理世界的限制，信息空間正在快速成為交通生態系統的內在組成部分。信息空間采集傳感器、交通管理中心、系統控制物理單元的重要數據，在需要時控制系統單元（如交通信號燈和車輛制動器），並提供反饋或信息，從而使交通生態系統能夠提供安全、可靠、移動和環境等方面的服務。交通基礎設施（公路、橋梁、隧道、水路和鐵路等）和交通方式（轎車、貨車、輪船和列車等）正在與信息空間相互融合，並提供越來越高效的服務。在未來10年乃至更長的時間裡，信息空間的重要性將呈指數級增長。在交通領域中，信息空間與物理世界間的緊密結合被稱為交通信息物理系統（Transportation Cyber-Physical Systems，TCPS）。
顯然，交通互聯網就在我們身邊，為此，交通專業的學生和專業人員做好準備了嗎？僅僅了解交通系統物理單元的知識，無法真正地使學生或專業人員具備應對的能力。鑒於此，我們開始著手整理這本關於交通信息物理系統的書。本書由來自大西洋兩岸的作者聯合撰寫，以幫助我們的學生和專業人員成為未來交通信息物理系統的規劃者、設計者、研發者、操作者和維護者。交通信息物理系統所承諾的安全性、高效性、可持續性、移動性等，將推動我們未來社會的發展進步。
不久的將來，交通信息物理系統將成為全球交通系統運營和商業實踐的主流。智能交通系統將滿足未來智能城市和地區的需要，人們將會充分感受到網聯交通系統所帶來的好處。在交通信息物理系統中，交通將成為社會生產力和可持續性發展的推動者和加速器。
本書可作為交通信息物理系統、交通系統或者智能交通系統專業高年級本科生及研究生課程的基本教材或補充教材，也可作為在交通相關領域工作的多學科專業人員的參考資料。我們很高興能夠加入未來交通信息物理系統的創新之旅，創新會讓我們的生活變得更加美好。我們希望本書能為未來網聯世界的交通事業做出貢獻。

序 言
前 言
第1章 交通信息物理系統及其對未來出行的重要性1
1.1 交通信息物理系統簡介1
1.2 交通信息物理系統示例及其組件4
1.2.1 航空交通信息物理系統5
1.2.2 鐵路交通信息物理系統8
1.2.3 道路交通信息物理系統11
1.2.4 水路交通信息物理系統13
1.3 未來交通信息物理系統：環境和社會效益15
1.3.1 交通信息物理系統的環境效益15
1.3.2 交通信息物理系統的社會效益16
1.4 交通信息物理系統面臨的挑戰及本書章節安排17
練習21
參考文獻22
第2章 交通信息物理系統架構24
2.1 概述24
2.1.1 網聯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 架構分析和設計語言27
2.2.2 質量屬性29
2.2.3 模擬/數字模型30
2.2.4 框架31
2.3 典型信息物理系統體系架構32
2.4 架構模型的分類34
2.4.1 結構37
2.4.2 標稱和誤差行為建模38
2.5 現有模式中存在的問題40
2.5.1 移動性/機動性40
2.5.2 敏捷開發41
2.6 新興架構42
2.6.1 物聯網42
2.6.2 云計算架構43
2.6.3 智能城市架構45
2.7 案例研究48
2.7.1 軟件架構50
2.7.2 智能城市應用質量屬性51
2.7.3 移動應用面臨的挑戰52
2.8 結論52
練習53
參考文獻53
第3章 交通信息物理系統協同建模和仿真55
3.1 簡介55
3.2 交通信息物理系統工程56
3.2.1 移動性新概念57
3.2.2 信息物理系統與交通57
3.2.3 跨學科的交通信息物理系統58
3.3 基於模型的信息物理系統工程背景58
3.4 面向信息物理系統工程的集成工具鏈60
3.4.1 協同建模基礎60
3.4.2 建立用於協同建模的工具鏈62
3.4.3 建模技術64
3.5 聯合仿真實例：鐵路聯鎖系統67
3.5.1 預置條件67
3.5.2 聯鎖系統的挑戰68
3.5.3 精確的列車運動仿真和挑戰68
3.5.4 基於協同模型的分布式聯鎖設計70
3.5.5 多學科協同建模71
3.5.6 運行聯合仿真76
3.5.7 設計空間探索80
3.5.8 硬件在環仿真82
3.6 結論和未來方向83
練習84
參考文獻84
第4章 實時控制系統87
4.1 引言87
4.2 實時控制系統中的組件88
4.2.1 典型的實時控制系統88
4.2.2 自動駕駛汽車實時控制系統的結構91
4.2.3 電子控制單元92
4.2.4 自動駕駛汽車的傳感器92
4.2.5 執行器103
4.3 自動駕駛汽車實時控制系統103
4.3.1 感知模塊104
4.3.2 導航與行為分析模塊108
4.3.3 運動規劃與控制模塊109
4.3.4 交通信息物理系統中的自動駕駛車輛協同117
4.4 結論及未來方向118
練習119
參考文獻120
第5章 交通信息物理系統安全和隱私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 機密性、完整性和可用性127
5.2.4 風險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 機密性、完整性和可用性的擴展134
5.3 交通信息物理系統的威脅和漏洞135
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 交通信息物理系統的安全模型139
5.4.1 挑戰140
5.4.2 信息安全架構142
5.4.3 態勢感知143
5.4.4 安全控制144
5.4.5 隱私145
5.4.6 測試和驗證147
5.4.7 新興的標準148
5.5 交通信息物理系統中的信息安全控制149
5.5.1 嵌入式系統安全149
5.5.2 訪問控制、加密和標識150
5.5.3 代碼簽名151
5.5.4 設備認證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 入侵容限和錯誤容限152
5.5.8 遙測和消息源153
5.5.9 其他技術153
5.6 案例：網聯汽車154
5.6.1 關鍵利益相關方154
5.6.2 系統和組件架構155
5.6.3 自動駕駛的演進157
5.6.4 威脅和漏洞158
5.6.5 降低威脅159
5.6.6 小結161
5.7 新興技術161
5.7.1 軟件定義網絡161
5.7.2 虛擬化162
5.7.3 大數據163
5.7.4 人工智能和機器學習163
5.7.5 區塊鏈164
5.8 總結和展望164
練習166
參考文獻166
第6章 交通信息物理系統基礎設施169
6.1 交通信息物理系統基礎設施概述169
6.2 數據基礎設施組網172
6.3 數據采集和攝取175
6.3.1 交通信息物理系統數據源的挑戰175
6.3.2 數據代理基礎設施176
6.4 數據處理引擎177
6.4.1 用於交通信息物理系統的批處理引擎178
6.4.2 流處理引擎182
6.5 服務層184
6.6 作為代碼的交通信息物理系統基礎設施185
6.6.1 作為代碼的交通信息物理系統云基礎設施185
6.6.2 作為代碼的物聯網基礎設施187
6.7 發展方向188
6.8 總結和結論188
練習188
參考文獻189
第7章 信息物理系統中的數據管理問題191
7.1 信息物理系統：一個跨學科的融合191
7.2 信息物理系統多樣性193
7.3 數據管理問題194
7.3.1 數據管理系統選擇194
7.3.2 數據質量問題197
7.3.3 決策過程中的人類認知偏差198
7.3.4 數據管理中的網絡安全問題200
7.4 信息物理系統的數據庫系統203
7.4.1 基於集群的分布式計算204
7.4.2 寬松的數據一致性需求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 內存映射文