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交通是指为了生产和生活需要，实现人与物空间位移的一种经济社会活动，是商品交换的先决条件。交通运输大致可以分为陆运、水运、空运。完善的交通系统包括交通运输基础设施和交通运输工具两大部分。随着人类文明不断发展，科学技术不断更新迭代，每个时代的交通系统升级都会给整个社会带来翻天覆地的变化。
早在远古时代，由于生产力水平低下，人们为了生存，往往沿着河流居住，以渔猎为生。在和大自然搏斗的过程中，先民观察大自然，发现树叶可漂浮在水面上，从而受到启发，发明了船。由此开启了水上交通。刘向整理的《世本》说到“古者观落叶因以为舟”。《淮南子·说山训》中也有类似的说法：“古人见窾木浮而知为舟”。《淮南子·物原》中记载“燧人氏以匏济水，伏羲氏始乘桴”，是指在上古时代，燧人氏抱着葫芦，以此为浮具过河，后来伏羲氏乘筏渡河。据考证，筏在新石器时代已经出现，古代人民利用当地的资源就地取材，从而出现了各种形式的筏，如在桂林漓江上的竹筏，九曲黄河上的羊皮筏，如图1-1所示。到了商朝，中国已掌握造船技术，并学会使用风帆。两宋时期，造船业成就斐然，广州、泉州、明州的造船业在当时居于世界领先地位，南宋沿海地区制造的海船，载重一般有数百石至五千石（一石约合55kg），最大载重量可达万石，海船设置了水密隔舱，增加了船只的抗沉性和横向强度，而且还配备了指南针。到了明朝，我国古代造船业走上了一个巅峰。郑和七次下西洋，据说最大的宝船搭载超过1 000人，是当时世界上最大、最先进的海船。
（a）漓江（阳朔）上的竹筏
（b）黄河（兰州段）上的羊皮筏
图1-1 筏
在古代，以舟、船为水上交通工具并在河道布设渡口作为交通基础设施，形成了最初始的水上交通系统。为了扩大航运范围，人们还开凿了人工运河。运河的开通，对当时的军事、经济、政治都有举足轻重的意义。
我国最早的运河是修建于公元前486年的古邗沟运河。春秋战国时期，吴王夫差攻克了楚国、越国之后，北伐齐国，欲争霸中原。所谓“兵马未动，粮草先行”，考虑通过陆路运输粮草辎重非常困难，吴国就利用淮河湖泊密布的特点，将湖泊局部开挖，连通了长江和淮河。古邗沟运河的开凿意义重大，除在军事上发挥重要作用之外，还在南北政治、经济、文化交流中发挥了巨大的作用，从而诞生了淮安、扬州两座繁华的历史文化名城。
陆路运输，最原始的交通工具是人的双脚，后来人类将动物驯化为交通工具。随着生产力水平的提高，我们的祖先学会了造车。相传约在5 000年前，轩辕黄帝就会造车，据考证，黄帝造的车比较简陋，结构粗糙，而且主要是靠人力推拉的，在搬运货物时仍然非常费力。公元前2250年，奚仲造车，其所造之车是用马拉的木制车。《管子》中对奚仲造的车给予了高度评价：“奚仲之为车也，方圆曲直，皆中规矩钩绳，故机旋相得，用之牢利，成器坚固”，如图1-2所示。可见奚仲造的车是具有一定技术水平的、有重大创新的马车。到了商代，战车的使用十分普遍，当时已经能造出相当精美的双轮战车。到了春秋战国时期，车战盛行，战车数量的多少成为衡量一个国家强弱的标志，说一个国家的军事力量如何，往往是说它拥有多少乘战车，比如千乘之国、万乘之国。
图1-2 奚仲造车
为了加快车的行驶速度和提高其负荷量，便有了修筑道路的需求。公元前221年秦始皇统一六国，颁布了“车同轨”的法令，规定车轨统一宽六尺（一尺约合0.33m），两轮之间的距离为轨，车轨相同则车辙等宽，是首次将道路标准化，大大提升了军队和商队的运输效率，如图1-3、图1-4所示。秦始皇二十七年（公元前220年），秦始皇下令大筑驰道，首次形成了一张以驰道为主，以咸阳为中心，向四方辐射的全国性的陆路交通网络。
图1-3 秦陵一号铜车马
图1-4 河北省石家庄西部井陉县境内的秦皇古驿道
到了元明时期，尤其是元朝，统治地域辽阔，建成了以北京为中心的四通八达的全国陆路驿道交通网络，建立了稠密的驿站，由驿道和驿站构成了古代的驿传系统。《元史·地理志》记载：“元有天下，薄海内外，人迹所及，皆置驿传，使驿往来，如行国中”，意思是元朝在凡有人居住之地都设置了驿站，往来世界，就像在自己国内一样，可见当时建立的驿道规模非常庞大。直至欧洲工业革命后西方国家强势崛起，通过鸦片战争打开我国的国门，引入了汽车，驿道时代才逐渐画上句号。
1776年，英国著名发明家詹姆斯·瓦特吸收前人的成果对蒸汽机进行改良，如图1-5所示，推动了第一次工业革命进入一个崭新的发展阶段。在交通运输行业，交通工具迎来历史性变革，蒸汽机促进了机动船和机车的出现，终结了以人力、畜力、风力等为主要动力的历史。
1804年，特里维西克在蒸汽机的基础上将低压蒸汽动力改进成高压蒸汽动力，制造出世界上最早的火车。由于轨道是由生铁铸造的，长期使用将发生轨道压裂的事故。真正让火车成功运行的是英国发明家乔治·史蒂文森。1814年，史蒂文森制造了他的第一个火车头，取名“布卢彻号”，但他造的火车也常将路轨压裂。为了解决这个问题，史蒂文森到朋友开设的铁工厂试验锻铁轨道，最终取得了成功，申请了铁轨的专利。1825年，英国建成了世界上第一条铁路——斯托克顿—达灵顿铁路。
图1-5 瓦特改良的蒸汽机模型
蒸汽机不仅给陆地交通工具带来变革，同时也给水上交通工具变革带来深远的影响。美国发明家富尔顿于1803年建成了一艘以蒸汽机为动力的轮船，在法国塞纳河试航成功，但当晚遭狂风暴雨摧毁。后来他得到瓦特的支持，于1805年3月获得新的更大的船用蒸汽机主体。两年后在美国研制出用明轮推进的蒸汽机船——“克莱蒙特”号，在纽约州的哈得逊河进行了第一次航行。随着轮船技术的不断成熟，1818年，美国“黑球”轮船公司首次开辟了纽约—利物浦定期航线。
到了19世纪中叶，第二次工业革命来临，电力逐渐成为新的动力能源，人类从“蒸汽时代”进入“电气时代”。第二次工业革命除了电力的广泛应用，另一项具有代表性的技术成就是以煤气和汽油为燃料的内燃机的诞生。19世纪80年代，德国人本茨制造出一辆由内燃机驱动的汽车。之后，以内燃机为动力的轮船、飞机也相继问世。电力和内燃机的应用使人类社会发生了翻天覆地的变化，人类交通进入一个新纪元。
如今，一日千里早已不是梦想。汽车、火车、轮船、飞机都已走入平常百姓的日常生活，成为人们生活中不可或缺的交通工具。
20世纪初，汽车开始出现在北京、上海等大城市街头，成为权贵、富绅的代步工具。改革开放以来，中国经济快速发展，汽车保有量不断增加。国家统计局发布的《中华人民共和国2019年国民经济和社会发展统计公报》显示，2019年民用汽车保有量达到26 150万辆，较新中国成立时增长了5 137.52倍，按目前14亿人口计算，意味着平均5.36人就拥有一辆汽车。汽车已经逐渐从奢侈品变成生活必需品。
交通工具随着科技的发展也在不断演进，已不只是满足于传统的速度、载重量、舒适度、安全性等要求，还正在往个性化、智能化、无人驾驶等方向发展。高级驾驶辅助系统（advanced driver assistant system，ADAS）就是汽车智能化发展的典型代表之一。高级驾驶辅助系统利用各类传感器，包括摄像头、雷达、红外线、激光和超声波等，为车辆打造一套触觉和视觉系统，用于感知、侦测车内外环境，分析周围环境可能带来的风险，能够在危急的情况下辅助驾驶，从而提高行车的安全性。常见的高级驾驶辅助系统有自适应巡航控制系统（adaptive cruise control，ACC，图1-6）、自动紧急制动系统（autonomous emergency braking，AEB，图1-7）、盲点探测系统、前方碰撞预警系统、车道偏离预警系统、夜视系统、自动泊车、行人检测等。高级驾驶辅助系统是无人驾驶的基础，在不久的将来，汽车将进入无人驾驶时代。
图1-6 自适应巡航控制系统
快速发展的国内经济，也对铁路列车技术提出了不断更新变革的要求，以满足经济发展的需要。我国的铁路列车研发工作让人瞩目。2008年4月11日，首列国产时速350km的CRH“和谐号”动车组在中国北车集团成功下线，标志着我国由此跻身世界上仅有的几个能制造时速350 km高速铁路移动装备的国家行列。
图1-7 自动紧急制动
交通工具的更新迭代能更好地服务于人们的生活，同时相应的基础设施也必须同步完善。交通运输部发布的《2018年交通运输行业发展统计公报》显示，2018年全年完成交通固定资产投资32 235亿元，投资最多的是公路，投资额为21 335亿元，占比66.19%。全国公路营业里程达到4 846 500 km。高速公路里程142 600 km，位居世界第一。
孙中山曾经说过“交通为实业之母，铁道又为交通之母，国家之贫富，可以铁道之多寡定之，地方之苦乐，可以铁道之远近计之”，可见铁路建设关乎国计民生。我国对铁路建设十分重视且投资巨大，2018年全年完成铁路固定资产投资8 028亿元，占交通固定资产投资额的24.90%，如图1-8所示。营业里程已达到131 000 km，其中高铁营业里程超过29 000 km。铁路营业总里程仅次于美国，高铁营业里程为世界第一。
在交通固定资产投资方面值得一提的是，2018年公路水路支持系统及其他建设投资费用达到824亿元，与民航固定投资费用857亿元相当。可见我国非常重视交通信息化建设，交通信息化将引领现代交通运输业的快速发展。
图1-8 2018年交通固定资产投资比例
改革开放40多年来，我国交通运输基础建设取得了举世瞩目的辉煌成就。目前我国基础设施建设技术世界领先，创造了一个又一个神话，诸如青藏铁路、港珠澳大桥、北京大兴国际机场等超高难度工程，硕果累累，以至于被海内外冠以“基建狂魔”的称号。
经过长期投资建设，现在我国已形成一张非常庞大的交通运输网络，如何能有条不紊地运作起来，这是非常值得深思远虑的问题。交通运输网络，应紧跟时代潮流，依靠最先进的科学技术，建立更完善的交通管理体系。5G（第五代移动通信技术）的兴起，伴随着云计算、人工智能、大数据等为代表的新一代信息技术的普及，为建设更加高效、更加智能、更加人性化的交通管理体系提供了可能。
中国的城镇化进程在改革开放后进入快速发展阶段，据国家统计局统计，2018年全国常住人口城镇化率为59.58%，而世界发达国家的平均水平都在80%以上，其中日本的城镇化率超过90%，美国超过80%。2019年我国人均GDP首超1万美元，是世界第二大经济体。但是，我们的城镇化水平和西方发达国家对比，还相差甚远，未来我国的城镇化进程还有很大的提升空间。
城镇化的发展带来交通拥堵、交通事故频发等城市病。公安部2020年1月7日发布的数据显示，全国汽车保有量达2.6亿辆，同比增长8.83%。汽车保有量持续增长，交通事故也急剧增加，目前我国交通事故死亡人数居世界第一。根据《中国统计年鉴》的数据，2018年全国发生交通事故244 937起，死亡人数63 194人，造成直接财产损失138 455.9万元。
城市汽车数量不受控制地野蛮激增，势必造成交通拥堵。城市交通拥堵治理问题是很复杂的社会问题。城市交通建设，不仅要考虑交通需求，还要考虑土地和资金投入等问题。单纯通过不断地建设道路来满足日益增长的车辆需求，是根本行不通的，因为城市道路的建设增长率往往低于车辆的增长率。城市道路的建设需要大量的资金投入，而且中心城区道路已建得非常密集，城市土地资源寸土寸金，很多地方根本无法施行拆迁修路的方案。解决交通拥堵不仅仅要考虑车与路的矛盾问题，它还涉及城市规划、公共交通建设、人车如何精确疏导、汽车数量的合理管控等多个方面，是一个系统的工程。在实施治理过程中还要借助当前最新的科技手段，从传统管理手段向智能化、信息化管理转变。
针对如何高效治理交通问题，早在20世纪60年代，美国就开始了交通控制系统、交通诱导系统的研究，随后各国都相继开始了各自的交通系统智能化研究，一开始，各国对此叫法不一，直到20世纪90年代才在国际上统一了名称——智能交通系统（intelligent transportation system，ITS）。各国制定了不同层次的ITS发展战略规划，为了解决ITS在全国乃至全球范围内的兼容性问题，1992年国际标准化组织设置了TC204（交通信息与控制系统技术委员会），全面负责ITS领域的标准化工作。2001年4月，在夏威夷的全体会议上，一致通过将TC204更名为“智能交通系统技术委员会”的决定。截至2017年，已有50个国家加入该委员会。
智能交通系统是将先进的信息技术、通信技术、传感技术、卫星导航定位、自动控制技术、计算机处理技术等多种先进技术应用在交通运输管理系统中，使交通基础设施、人、车更有效地协同，以实现减少交通拥堵、提高运输效率、保障交通安全、降低能耗等目的，是一种实时、准确、高效的综合运输管理系统。
2008年，IBM（国际商业机器公司）提出“智慧地球”的概念，智慧城市建设应运而生。智慧城市包括智慧交通、智慧安防、智慧能源、智慧医疗、智慧教育等部分。智慧交通是智慧城市极其重要的部分，是智能交通的升级。
智慧交通迄今并没有一个十分权威的定义，每个人对其有着自己的理解。本书认为智慧交通和智能交通都是电子信息技术、传感技术、通信技术等多种技术在交通领域的应用，但智能交通主要侧重于各类交通应用的信息化，是一种被动式的管理体系；智慧交通则更体现“智慧”的理念，试图让交通设施、交通工具或者交通服务更多地具有类似于人的思维，能主动判断及决策。在智慧交通中融入物联网、云计算、大数据、人工智能等新一代技术，通过深度数据挖掘，建立大量的数据模型，基于实时交通数据提供实时的交通信息服务，强调人、车、路信息的交互性、实时性。
智慧交通的核心在于“智慧”，智慧交通系统像是给交通装上人类的大脑，可以综合各种信息状况进行判断并做出决策。智慧交通概括起来，具有以下几个特点。
（1）以泛在先进的交通信息基础设施为基础实现全面的感知。
（2）利用物联网、人工智能、大数据、移动互联网等新技术高度融合，强调信息的实时性、系统性、高效性、交互性以及服务的广泛性。
（3）智慧交通具备分析、预测、控制等能力，被赋予了人的主动思维能力。
（4）智慧交通秉承以人为本、服务民生、需求引导、开放创新的理念。
国外的交通系统智能化在20世纪60年代已经开始，到90年代时，美国、日本、欧洲等发达国家和地区已取得了多项科研成果。我国的智能交通系统起步较晚，20世纪90年代中期，我国才开始研究智能交通相关技术，经过20多年的发展和积累，也取得了很大的进步。
中国的智能交通系统起步比较晚，20世纪70年代末，北京、上海等大城市开始研究与开发交通信号控制系统。20世纪80年代，我国高速公路开始使用公路收费系统；80年代后期，开始ITS基础性的研究和开发工作；90年代中期，引入国外先进智能交通技术，在其基础上进行创新研究。1999年交通部公路科学研究所正式成立国家智能交通系统工程技术研究中心（national intelligent transport systems center of engineering and technology，ITSC），并建立中心实验室作为我国发展ITS的规划机构。标准是兼容性的保证，是实施ITS项目的基础。1998年，在国家质量技术监督局的指导下，交通部正式成立ISO/TC204中国秘书处，代表中国参加ITS标准化活动。1999年，科技部确定在国家“九五”科技攻关项目中增加ITS内容，就中国智能交通系统的体系框架开展研究工作。2001—2005年开展国家“十五”科技攻关“智能交通系统关键技术研究和示范工程”课题；2011—2014年开展“863”计划主题项目“智能车路协同关键技术研究”。
概括地讲，2000年前，我国智能交通系统处于国家智能交通体系框架和标准研究的层面，示范或开工建设的项目不多，可以视为我国智能交通系统的起步阶段。2000年后，从“十五”计划开始，我国政府在政策、经济上均给予大力支持，智能交通行业获得长足的发展，可以视为智能交通的建设期。2008年，IBM提出“智慧地球”的概念，智慧交通作为智慧城市的重要组成部分，智慧交通的概念也随之首次被提出来，得到我国极大的关注。2012年，我国成立智慧城市创建工作领导小组，由此开启了智慧交通建设的序幕，交通运输体系迈出了由智能化向智慧化发展具有里程碑意义的一步。
美国的交通系统智能化研究始于20世纪60年代末，当时被称为电子线路导航系统（electronic route guidance system，ERGS）。20世纪80年代中期美国在全国开展了智能化车辆-道路系统（intelligent vehicle highway system，IVHS）方面的研究，在研究过程中发现这不仅仅是车辆和道路的问题，还涉及由交通工具和交通基础设施组成的整个智能化交通系统，于是将此项目改名为智能交通系统。1991年，美国智能交通协会（intelligent transportation society of America，ITS America）创立。该协会是一个非营利组织，旨在帮助加速智能交通系统的发展，组织成员包括政府部门、私企、学术团体以及ITS国际成员等，参与的范围十分广泛，大大促进了美国智能交通系统的发展。
1993年，美国正式开始国家ITS体系结构开发计划（national architecture for ITS），于1997年1月公布了第一版国家ITS体系结构，1998年9月又公布了修订后的第二版国家ITS体系结构。
1995年3月，美国运输部正式公布了“国家智能交通系统项目规划”（national ITS program plan），明确规定智能交通系统的7大领域（基本系统）和29个用户服务功能（子系统），如图1-9所示。
图1-9 美国国家智能交通系统项目规划
2014年，美国运输部与美国智能交通系统联合项目办公室发布了《智能交通系统战略规划2015—2019》。这个规划确定了一个愿景——“改变社会运行的方式”，定义了6个项目类别，描述了两个战略重点：“实现汽车的互联技术”和“推动车辆自动化”。战略规划中还制定了5个战略主题：
第一，使车辆和道路更安全。开发更好的防撞保护措施、碰撞预警机制、商用汽车安全机制、基于基础设施和协同式安全系统。
第二，增强交通机动性。探索提高系统效率的管理策略和方法，例如通过改进交通管理、事故管理、运输管理、货源组织管理、道路天气管理等系统，进一步利用车联网、旅客、基础设施，为增强交通机动性提供更多的信息和技术支撑。
第三，降低对环境的影响。通过更好地解决交通流量、车辆行进速度、交通拥堵等问题和使用先进的技术去引导车辆和道路更加合理地运作，以降低交通对环境的影响。探讨如何在每一次出行时提供“绿色”出行方案和建议，如规避免拥堵的路线、使用公共交通或重新安排行程等，让出行更加省油环保，减少出行对环境的影响。
第四，促进技术创新。通过ITS项目，推动技术的发展和创新。持续性地致力于创新性、探索性的研究课题，调整、采取并部署技术开发路线以满足未来交通发展的需求。
第五，支持交通系统信息共享。通过制定统一的标准和系统架构，以及应用先进的无线技术使所有车辆、基础设施、可移动设备能够实时互联通信，实现信息共享。
2017年，美国交通研究中心（transportation research center，TRC）斥资4 500万美元建立智能交通研究测试中心（smart mobility advanced research and test center，SMART Center），用于无人驾驶与车联网技术的研究。建成后，该设施或将成为全球最先进、最专业的无人驾驶与车联网技术研究机构。
日本是全球城市人口密度较高的国家，为应对交通拥堵问题，日本早在20世纪70年代就开始了智能交通的研究，是全球最早开始研究智能交通的国家之一。1973年，以日本通产省为主开发的汽车综合控制系统（comprehensive automobile control system，CACS），是一套车载交互式路线引导显示系统，在显示屏上为驾驶员提供道路交通拥堵的情况及诱导信息。随后成功研制了电子路径诱导系统，这被认为是日本最早的ITS项目。
1994年，日本成立了由通产省、运输省、邮电省、建设省和日本警察厅参与的日本道路交通车辆智能化促进协会（vehicle road and traffic intelligent society，VERTIS），以推动ITS的开发和研究以及支持ITS相关标准化活动。1995年制定了《公路、交通、车辆领域的信息化实施方针》，1996年制定了《日本智能交通综合计划》，1999年制定了《日本智能交通系统结构》，定义了智能交通系统的9个开发领域、21个标准用户服务项目，如图1-10所示。
图1-10 日本ITS体系结构
1998年，车辆信息与通信系统（vehicle information and communication system，VICS）从关东地区经中部地区发展到关西地区。到2000年，日本全国各个地区均已应用车辆信息与通信系统，同年电子不停车收费系统（electronic toll collection，ETC）计划也开始实施。2003年，信息技术与道路交通结合的智能公路开始出现，2006年发布的《智能交通系统手册（2006）》把日本智能交通系统建设提升到国家战略高度。2017年，在高速公路和偏远区域进行自动驾驶汽车测试，加快智能交通系统的建设和完善。日本计划于2025年前在全国范围内普及自动驾驶技术，通过自动驾驶的推广普及以期减少交通事故，争取于2030年实现交通事故发生次数为0的目标。