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智慧交通是近些年来各类交通运输行业最为关注的前沿热点和发展方向，被认为是当前交通行业各种现实问题的有效解决途径，其前身为智能交通系统（Intelligent Transportation System，ITS）。智慧交通是在智能交通系统的基础上，融入最新的硬件技术、软件技术和信息技术，以期能够获取交通系统中各种实时信息而构建的新一代交通信息感知、集成、展示和处理系统。
在当前有关智慧交通的各种建设构想和探索实践中，物联网、云计算、大数据、移动互联和人工智能等多种高新IT技术被广泛应用并被赋予了极大的期望。这些技术能够采集和处理驾驶者信息、行驶车辆信息、行驶道路信息和行驶环境信息，即“人、车、路、环境”交通四要素，从而实现多种交通要素信息的同步采集与实时汇总。这几类信息的相互补充与融合，有助于搭建出现实交通状况的全面感知和综合决策系统，实现交通系统的智慧化运营与管理。
长期以来，我国在智慧交通建设方面侧重于城市尺度，已制定相应的规划并进行了初步的探索，并且智慧交通被认为是智慧城市建设中的核心环节。早在2002 年，我国便开始初步制定面向现代化的智能交通发展规划。之后，科技部设立了与智能交通系统相关的多个研究课题，同时也确定了一系列智能交通建设的试点示范城市。2008年5月，中国智能交通协会正式成立。2012年，我国在相关文件中明确了智慧交通的概念，并且认为智慧交通是智慧城市建设中的一个重要部分和核心环节。2017年，我国提出了“交通强国”的发展战略。2019年，中共中央、国务院印发了《交通强国建设纲要》，该文件指明了智慧交通的初步发展方向。综上可以看出，我国智慧交通的建设与发展经过了一系列的探索实践。
现阶段智慧交通的建设形式，主要以现实中已有的道路基础设施分布为依据，加以信息化和智能化改造。例如增加不同的信息采集设备、信息汇总大数据平台和信息处理系统，从而辅助现有交通系统的管理与服务，形成具备一定智慧化的运营管理和综合服务的交通系统，呈现出分城市、分场景逐步探索实施，以及与基础设施同步发展并紧密结合的特点。国内部分城市已有智慧交通建设和应用的案例，例如，作为智慧城市建设与发展的示范城市，上海在智慧城市的建设中，重点应用了车路协同技术和智能驾驶技术，致力于车辆信息和位置服务信息等的数据融合；之后又建立了交通综合信息平台，实现了道路信息、车辆信息和交通基础设施信息的实时接入和整合。面向公交系统这一专题，上海通过公交系统的智能化改造，实现了“公交枢纽—公交站点—公交车辆”之间的信息智能汇总和管理，向市民提供了更为便捷的公交系统服务。城市智慧交通建设系统中各种设备所采集的各种交通信息的多渠道及时发布，也是智慧交通的重要应用环节。另外，自动驾驶目前被认为是智慧交通建设的重点技术之一，我国在这一领域进行了积极的探索，例如，国内部分城市开展了无人驾驶巴士的应用，百度公司推出自动驾驶出租车，等等。
在智慧高速公路建设探索方面，2020年12月底深圳外环高速公路正式通车。深圳外环高速公路被打造成了广东省智慧高速公路省级科技示范路，实现了交通管理智慧化，一方面构建了综合监测体系，实现了对路网运行状态、车辆实时信息、交通事件和交通环境的动态监测，另一方面也在沿线布设多功能智能杆，挂载基站实现5G通信网络全覆盖。2020年通车的四川省成都到宜宾的高速公路（简称成宜高速）也是对智慧高速公路建设的探索示例，作为交通强国的试点项目，成宜高速分阶段建设数字高速公路，不仅包括自动驾驶基础设施的建设，还面向车路协同构建了完善的高速公路网络智能感知体系，且实现了5G网络全覆盖，为信息传输更加快捷提供了支撑。此外，浙江、湖南以及京津冀等地区最新的高速公路建设，均涉及交通系统信息的智能感知和传输等技术，朝着智慧交通的建设方向逐步迈进。
当前智慧交通的建设构想普遍侧重于智能监测和高效传输设备的广泛使用，从而实现交通系统各种信息的实时感知与汇总集成。这种策略可以实现高速公路系统的信息感知、安全保障和及时调控，对于解决交通系统现实问题具有重要的意义和价值。在此过程中，各种交通系统感知设备的实时监测数据不断积累，形成交通系统日常运行的丰富记录，其中蕴含着交通系统运行的规律与演变特征，对于了解交通系统的运行、改善交通系统的管理具有重要的作用。因而，借助于当前各种时空大数据挖掘技术，对交通系统各种智能监测设备采集的交通大数据进行挖掘和分析，可反过来促进交通系统的建设规划和区域管理。但目前智慧交通系统的建设方案中较少强调这种“反哺”式的技术构想和场景应用。
目前智慧交通的建设思路，在某种程度上太过于关注交通系统本身，割裂了交通系统与所处区域环境之间的关联性和耦合性，这虽然可以方便交通系统中驾驶者的安全高效驾驶和交通系统管理者的实时感知处置，但难以进一步提高交通系统在整体上对于区域规划和区域发展的统筹作用。因而，智慧交通的建设也应该从整体上考虑交通系统和所处地理区域之间的关系，从而进行有针对性的建设方案设计与实施。
那么，从区域整体性的视角出发，智慧交通应该具备什么特性呢？本书将从较为宏观的角度，即时间角度和空间角度，探讨面向智慧交通的大数据分析思路，通过挖掘交通系统大数据蕴含的时间规律和空间规律，说明交通系统在区域系统中的功能和作用，为交通系统管理者、区域管理者和区域发展规划提供一定的思考和借鉴。
（1）智慧交通的时间内涵延伸
从时间角度来看，智慧交通应该具备的功能是监测交通系统内各种要素的时间演变过程，并进一步模拟和预测智慧交通系统内要素的演变方向和程度。目前，智慧交通建设探索中广泛使用的各类信息传感器可以监测到交通系统内的多种信息，并可以在较为精细的时间尺度上实现连续监测。利用连续监测数据，可以挖掘交通系统中各种时间演变过程，例如恢复车辆的行驶过程，监测某一位置上交通状态的演变过程，监测各类交通事件的发生与发展过程，等等。
利用智慧交通监测设备积累的交通时空大数据，识别并归类交通系统内的不同时间过程，再结合相关的动力学或者统计学的方法，模拟并还原这些过程的时间演变，可在当前智慧交通的基础上进一步构建未来交通系统的数字孪生系统，从而实现交通系统发展的下一阶段，即耦合道路现实信息采集系统和道路过程模拟模型，完成现实世界交通系统在信息世界的复刻。在数字孪生交通系统中可进行交通系统的仿真实验和模拟，通过多次虚拟交通实验筛选出现实交通问题的解决措施，或者通过虚拟交通实验优化现有交通设施的布局方案，并验证不同交通措施实施策略的可行性和有效性。因而，强化对智慧交通系统中各种时间过程的监测和模拟，对于细粒度认知交通系统运行机制，构建数字孪生交通系统和仿真实验等方面具有非常重要的意义。
智慧交通系统中各种时间过程监测和模拟的目的之一，就是进行时间过程的预测，从而实现交通系统的各种预判式管理。例如在交通系统中，最主要的预测就是交通流量的预测，既包括不同关键位置上的交通流量的预测，又包括交通系统整体的流量预测，还包括特定区域之间的交通流量预测，即从一个固定地方到另一个固定地方的流量预测。另外，智慧交通系统也需要对一些异常交通状态或者事件，例如异常驾驶行为、交通事故和交通拥堵等，进行监测和追踪。对异常交通状态实施连续监测和追踪，并模拟异常交通状态的时间演变过程和产生条件，可进一步构建相应方法对异常交通状态进行预判和预警。交通系统中的各种异常交通事件和异常交通状态，往往意味着对交通系统运行安全的威胁，通过监测和模拟异常交通状态的时间演变过程，完成对系统中异常交通状态及其发生时间的预判和预警，有助于消除交通系统潜在异常，保证交通系统的运行安全。
总而言之，从时间角度来看，智慧交通系统并不仅仅要实现交通系统运行状态的信息化感知，更重要的是要利用各种感知设备监测和记录时间连续数据，模拟交通系统内部状态的时间演变过程，最终实现交通系统状态的发展方向和演化程度的预测，以及影响交通运行安全的异常状态和异常事件的预判和预警。
（2）智慧交通的空间内涵延伸
从空间角度来看，智慧交通应该明确交通系统内不同位置各种交通状况的差异。由于所处局部自然环境和人文环境的差异，交通系统内部不同位置具有相应的空间差异性，即位置与位置之间的差异性，一方面这种空间差异性导致驾驶者在不同路段行驶时的驾驶感觉、驾驶主观难度等出现变动，继而影响驾驶者的行为；另一方面交通系统内的交通条件的空间差异也对交通系统的管理者提出了额外的要求，即管理者应该根据不同位置上的特征差异制定相应的管理措施，也就是具有空间针对性的交通管理。例如，比较常见的就是在连续多弯道的地方及事故多发地带进行提醒，在陡坡或者其他复杂环境设置多种监控感知设备。因而，交通系统中行驶环境的空间差异性在某种程度上决定了对应位置上智慧交通建设方案的重点与难点，影响相应建设方案的制定与执行。
除了行驶环境这种能观察到的空间差异性，不同交通状态的分布也具有某种无法直观理解的空间分布规律，这种隐含的交通状态空间分布规律是智慧交通建设过程中最需要通过大数据技术来挖掘与表征的，也决定了智慧交通建设过程中需要感知和采集的交通系统信息的种类。交通系统中若只监测某种单一类型的信息，往往不能反映复杂交通状态的空间分布规律，因而需要使用多种类型的传感器去采集交通系统中多个位置上不同的交通状态信息，实现对交通状态的全面描述与综合表征，以发现交通系统内隐含的空间分布规律。
在挖掘交通系统内隐含空间分布规律的过程中，通常会面临两个难点，一个是隐含规律的微弱性，另一个则是隐含规律的尺度敏感性。交通系统内隐含空间分布规律的微弱性是指其往往难以较为明显地展示，需要通过对交通数据进行空间多模态的分解，将交通数据的空间分布分解为多种交通状态空间分布特征的叠加，然后进行不同空间组分的筛选和提炼，剩余的分异有时不那么明显，但对于指示交通系统的空间分异规律往往具有重要的作用。交通系统内隐含空间分布规律的尺度敏感性是指其往往在某种特殊的时空尺度下才会显现，对于智慧交通建设最直接的影响就是一定程度上决定了智能监测设备的空间布设密度和时间采样间隔。如果智慧交通系统中智能监测设备的空间布设间隔过大（如只在道路分岔路口布设），虽然可以一定程度上满足交通管理的需求，但难以对交通系统的内部进行充分的空间采样，无法说明交通系统内部真实的分布细节，影响对智慧交通系统内部运行规律的空间精细认知。因而，在基于交通大数据挖掘交通系统中隐含的空间分布规律以进行空间针对性的智慧交通建设时，需要重点考虑隐含规律的微弱性和尺度敏感性。
总而言之，从空间角度来看，智慧交通建设需要充分考虑到不同位置对应的环境条件和交通状态的特殊性和差异性。交通系统内不同位置上的差异性决定了智慧交通的空间结构，挖掘交通系统空间分布的隐含规律可辅助于强化智慧交通建设的空间针对性，保证智慧交通在区域系统的合理运营。
（3）智慧交通的时空一体内涵延伸
从时空统一的角度来看，智慧交通应该关注交通系统中不同要素的时间演变和空间分异所对应的环境关联和影响。交通系统并不是割裂在现实环境之外，交通系统与现实环境中不同要素之间存在着一定的信息关联和交换，并且也存在一定的相互影响。智慧交通建设应该关注交通系统在时间演变和空间分异上与现实环境不同要素之间的相互影响，并通过大数据挖掘的方法识别不同影响的种类、程度和方式，继而在智慧交通建设的过程中考虑并利用所发现的交通与环境之间的影响方式和作用程度，修改或者优化已有的智慧交通建设方案，达到交通系统与所处环境的协调统一和互利发展。
从时间演变的角度来看，交通与环境之间的相互影响主要体现为：交通系统通常是一个连续不间断运行的局部系统，其内部车辆持续运行会持续对周围环境产生累积影响。一个典型的例子就是交通系统车辆尾气的持续排放和扩散。由于交通系统内车辆的不间断运行，总有不同的车辆在交通线路上进行尾气排放，虽然新能源汽车的出现在一定程度上缓解了这种问题，但此种汽车所占比例较小。交通系统中持续排放的尾气所包含的空气污染成分会向环境持续扩散，继而影响生态环境质量。因而，智慧交通的建设方案应该考虑到交通系统对生态环境的影响，如汽车尾气污染、噪声污染和灯光污染，以及危险化学品运输车发生事故可能带来的化学污染，等等。这就要求智慧交通的感知设备增加相关的环境传感器，并通过交通监测设备和环境传感器采集到的时间连续数据，探讨交通与环境之间时间演变的关联性，根据相关研究结论为智慧交通建设方案提供建议。
从空间分异的角度来看，交通与环境之间的相互影响主要体现为：交通系统是有一定空间分布的，不同位置上对应的交通状态可能会受到对应位置周围环境条件的影响。环境状况有时是交通状态的重要影响因素，例如，有的路段很容易堵车，有的路段事故频发。另外，交通状态的空间分异也会影响环境的形成与发展，例如，人们会根据城市交通路网的分布和车流量的大小，建造居住区或者其他商业区，在工厂区位选址时交通条件也是需要考虑的因素。因而，应该充分考虑到交通设施空间分布与环境背景之间的关联，从而对智慧交通系统空间分布的建设方案进行优化，以达到在交通系统内更方便、更有针对性地提供位置服务。