书名：智慧交通高速公路移动大数据分析
ISBN：978-7-115-63547-1
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著 高 鸿
责任编辑 李 瑾
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本书基于新一代人工智能及记录高速公路系统内车辆空间移动的时空大数据，从地理学空间流的视角探讨高速公路系统内的车辆流动，对于揭示区域内经济活动及人口出行的空间分异格局和流动规律等具有重要的意义。本书遵循“问题聚焦—理论框架—方法步骤—案例应用”的思路组织内容，综合利用地理信息技术、空间统计、网络分析、数据挖掘及数学张量等，构建不同的时空聚合分析方法，对高速公路移动大数据进行深入分析，全面剖析高速公路移动大数据蕴含的各类知识（空间格局、时间过程、关联关系等），提出“1个表达模型+2套聚合模式+4种聚合方法”的内容体系，并通过多个案例验证所提出方法的有效性，可为高速公路系统管理、区域规划等提供指导意见和借鉴方向。
本书的读者对象为对智慧交通方向交通数据挖掘感兴趣的读者、高速公路系统的管理人员、交通地理学和区域经济学的相关研究人员。
智慧交通是近些年来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。由于高速公路系统内部车流在空间分布上具有差异性，在随时间变化上具有规律性，同时高速公路系统对社会经济和生态环境具有重要的影响，因而面向智慧交通的高速公路系统分析与建设需要充分考虑其时空内涵与时空影响。
高速公路收费站记录的车辆出入形成的数据，能够反映不同车辆在高速公路系统内的空间移动，称为高速公路移动大数据。从地理信息科学专业空间流的视角分析高速公路移动大数据，能够充分挖掘高速公路系统的时空分布特征和演变规律，进而可为高速公路系统的运行管理和发展规划提出指导和建议。
本书分为10章，各章的主要内容如下。
第1章为智慧高速公路的内涵延伸，主要对智慧交通的相关概念和发展进行介绍，重点挖掘智慧交通的时空内涵。此外，面向智慧规划、智慧管理和环境协调，对智慧高速公路系统的建设方向进行探讨。
第2章为空间移动的记录数据，主要介绍移动数据科学的兴起趋势及移动数据的概念，基于此对高速公路移动大数据进行解释，说明高速公路移动大数据的主要类型和应用特点。
第3章为面向智慧交通的高速公路空间流研究绪论，主要介绍高速公路系统内空间流相关的研究背景，梳理研究现状，明确本书的研究内容以及所采用的技术路线。
第4章为高速公路空间流概述，主要介绍高速公路空间流的产生、高速公路空间流的相关概念，以及高速公路空间流的监测与采集方式，对本书中高速公路空间流多维信息表达模型及聚合分析方法的研究对象进行概念上的描述和界定。
第5章为高速公路空间流多维信息表达模型，主要介绍高速公路空间流多维信息表达概念模型和高速公路空间流多维信息表达逻辑模型。对于高速公路空间流多维信息表达概念模型，主要介绍高速公路空间流基本表达维度的构造，包括维度构造的基本思路和所生成的主要维度的类型等，继而构建出多维空间，利用基本维度或者维度组合实现对高速公路空间流多种信息的描述和表达。对于高速公路空间流多维信息表达逻辑模型，主要介绍基于已有的空间流数据记录计算高速公路空间流的不同维度信息，并对多个维度的信息进行组织、存储，以便后续应用分析。
第6章为高速公路空间流聚合分析模式，主要介绍利用高速公路空间流的多维信息表达模型进行不同主题下的聚合分析。设计不同主题下高速公路空间流聚合分析的工作流，包括主要步骤和基本流程；探讨不同聚合主题适用的地理学分析目标，构建出高速公路空间流聚合分析的基本框架。此外，本章还着重介绍以地理位置为聚合主题进行高速公路空间流位置聚合分析的框架和基本步骤，以及以时间变化为聚合主题进行高速公路空间流时间聚合分析的框架和基本步骤，为后续利用高速公路空间流的时空聚合分析方法进行不同目标下的地理学分析提供方法基础。
第7章为基于位置聚合的高速公路空间流地理格局探测，主要介绍以位置为聚合主题的高速公路空间流的聚合分析方法及案例，说明高速公路空间流可以映射的地理位置类型（节点、路径、连线），进而构建不同类型的高速公路空间流位置聚合分析方法；针对不同类型的位置聚合分析，设计聚合特征的计算方法及其对应的特征排序筛选算法；基于筛选出的变异程度较大的聚合特征的空间分布，分析高速公路空间流的地理空间格局。
第8章为基于时间聚合的高速公路空间流数量预测，主要介绍以时间为聚合主题的高速公路空间流的聚合分析方法及案例。引入多维数学张量实现高速公路空间流时空多维信息表达，利用张量分析方法实现对高速公路空间流的时间变化特征的提取；分析高速公路空间流的时间变化规律，并利用时间序列建模方法和张量重构，提出高速公路空间流的时空同步高效预测方法。
第9章为基于位置和时间聚合的高速公路空间流关联分析，主要介绍利用高速公路位置聚合和时间聚合分析方式，探测高速公路空间流与其他地理要素的关系。基于位置聚合方法，提出高速公路空间流的地理格局与其他地理要素变量的空间格局之间的静态关联关系的探测方法；利用时间聚合方法，提出高速公路空间流的时间变化与其他地理要素变量的时间变化之间的动态关联关系的探测方法。设置对应的案例，说明基于时空聚合的高速公路空间流要素关联探测方法的应用。
第10章为结论、创新和展望，总结本书研究的整体结论，说明本书的创新点，对本书研究的不足之处进行讨论，并对后续可开展的研究进行展望。
本书主要内容的研究和撰写工作是作者在南京师范大学攻读博士学位期间完成的，感谢南京师范大学地理科学学院袁林旺教授和俞肇元教授给予的研究指导、数据支持和项目资助（国家自然科学基金41971404、42001320和国家杰出青年科学基金41625004）。同时，感谢兰州交通大学测绘与地理信息学院闫浩文教授、周亮教授和杨树文教授对本书出版提供的项目资助（国家自然科学基金42271214、41930101）、支持和帮助。
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1.1 智慧交通的时空内涵挖掘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。
1.2 智慧高速公路系统的建设方向探讨高速公路系统在所有交通系统中具有一定的特殊性，主要表现之一就是高速公路在区域人地耦合系统中扮演着重要的角色。一方面高速公路系统具有非常高的活跃度，另一方面高速公路系统对经济发展和居民生活等均有非常重要的影响，因而智慧高速公路系统的建设需要从区域系统的视角进行深入探讨。基于上述内容所讨论的智慧交通的时空内涵，本书接下来将聚焦于高速公路系统，详细探讨智慧高速公路建设应该关注的几个方向，即分别从空间分异、时间演变和时空统一的视角，探讨智慧高速公路系统建设的关键点。
需要强调的是，本书只关注大数据挖掘技术在智慧高速公路建设中的应用和功能，不讨论其他设备或者技术在智慧高速公路建设中的应用。
我国国土面积大，为了将不同的城市通过高速公路连接起来，高速公路系统的空间分布非常广泛，具有多样的空间分异。智慧高速公路系统应该在明晰高速公路多样空间分异的基础上，进行智慧规划和建设，因而利用已有高速公路时空大数据探测高速公路系统多样的空间分异，是高速公路系统智能化改造和智慧高速公路建设的第一步。
在我国，高速公路系统通常是收费的，这就要求高速公路系统在某种程度上成为相对封闭的系统，即人员和车辆不能随意进出高速公路系统，只能通过固定的出入口进出。基于此，可以将表征高速公路系统的空间分布的元素抽象为两种，即交通线路和收费站。其中收费站设立在高速公路系统的入口和出口，一般靠近城市进行修建；交通线路是连接不同城市的通道，在高速公路系统中占据主要地位。从网络的视角来看，多个收费站形成节点，交通线路形成边，高速公路系统是通过节点和边形成的网络，高速公路系统的这种网络化抽象对于探测高速公路的空间分异具有重要的指导意义。因而高速公路系统的空间分异可以通过两种典型的空间单元——以节点为空间单元和以边为空间单元——进行展示。此外，也可从车辆移动行为的整体出发，以不同节点组合形成的“连线”为单元说明高速公路系统的空间分异规律。
首先是以节点为空间单元的高速公路系统空间分异，即高速公路系统在不同节点之间的差异性。各种收费站抽象而成的高速公路网络节点，是高速公路系统的入口和出口，对所有节点进行流入量和流出量的连续观测，可以测明高速公路系统内的车辆总数，进而推测高速公路系统的容量和容量变化。以高速公路系统节点为空间单元，最主要的空间分异规律就是不同节点之间流入量的差异和流出量的差异。汇总某一段时间内从不同节点进入高速公路系统的车流量，并进行空间上的展示和分析，可以得到流入量的空间分异规律。高速公路流入量的空间分异，可以反映区域人口流动和经济活动的繁忙度和活跃度，流入量大的节点附近城市更为活跃。相应地，汇总某一段时间内从不同节点离开高速公路系统的车流量，并进行空间上的展示和分析，可以得到流出量的空间分异规律。高速公路流出量的空间分异，一定程度上可以说明对应节点附近的城市在人口流动和经济活动方面的吸引力。进一步计算不同车辆类型在不同节点的流入量和流出量，可以对节点附近区域的经济结构和产业特色进行刻画和定位。例如货车流入量大的节点反映了附近区域工业活动相对频繁一些，可能属于工业厂区或者消费品集散区；大型客车流入量大的节点反映了附近区域人口流动更为活跃，可能属于某种旅游景区或者度假区。因而，以高速公路系统节点为空间单元，重点挖掘流入量和流出量的空间分异，以及不同类型车辆的流入量和流出量的空间分异，可以充分了解高速公路系统在区域交流中扮演的角色，解析人口流动和经济活动的特色，从而便于区域管理者从实际情况出发，制定相关的发展规划与管理政策，实现高速公路系统的智慧规划。
其次是以边为空间单元的高速公路系统空间分异，即以高速公路系统的不同路段为空间单元，在充分测度和衡量路段内交通状况的基础上，说明不同路段之间的差异，从而说明在高速公路系统内路段尺度的空间分异。路段内交通状况的度量可以从两方面入手：一是对影响驾驶行为的交通环境进行综合测度和说明，如路段长度、平均坡度和最大坡度、弯道数量、路段周边山体状况等；二是对路段上车辆行驶的状态和特征进行归纳，如不同时段的车流量、不同类型的车流量、不同类型车辆的平均通行时间、拥堵时间及发生频率、拥堵持续的时间、不同种类交通事故的发生频率等。从交通环境和行驶特征两个方面，充分挖掘并度量每一个路段上的交通状况，并将不同路段之间的交通状况进行地图综合展示和差异对比分析，可以分析并得出高速公路系统内路段尺度上的空间分异规律。基于所发现的空间分异规律，交通管理部门和规划部门在智慧高速公路系统建设或智能化改造的过程中，可进行针对性的改造以优化现有的交通设施体系。例如，基于交通环境的空间分异特征和规律，针对空间分异中交通环境相对较差的部分，通过增加建设额外路段等措施，优先改造最差路段，并进一步确定逐步改造的路段，根据路段空间分异的结果制定路段改造的顺序和策略，从而辅助于智慧交通建设中对已有路段进行改造的合理规划；基于行驶特征的空间分异特征和规律，针对空间分异中车辆行驶状态异常频发的路段，可以进行专门的监测和管理，采取增加提示信号牌、增加路况感知设备、增加巡检频率以及补充建设应急状态处置点等措施，使交通系统实现更为精确有效的管理。综上所述，基于高速公路系统内以边为空间单元、从交通环境和行驶状况两个方面来展示的空间分异，可以提升对已有交通系统的精确管理，同时也有助于对已有高速公路系统在智慧高速公路建设改造过程中的智慧规划。
最后，从整体上对车辆在高速公路系统内的空间移动行为进行考虑，也是研究高速公路系统内空间分异规律的重要方面。高速公路系统具备的一个重要功能，就是将区域内多个城市连接起来，方便不同城市之间的交流和联系。在这种交流和联系中，逐渐形成了特定的稳定关联模式，即某两个城市之间往往具备更为紧密的关联，挖掘一定区域系统内多个城市之间具备的某种内在的紧密空间关联关系，对于评估高速公路系统在区域发展中的作用、制定区域系统内不同城市之间协同发展的策略具有重要意义。单从高速公路道路分布来看，区域内多数城市之间均被路网连接，并不能直接反映城市之间的关联关系，只能通过路网距离的远近来说明城市之间存在的关联关系的紧密与否，通常认为路网距离近的城市之间的关联也更紧密，这种认知一定程度上可以说明现实世界之间的空间关联关系，但不够直接。更为直接的做法是聚焦到高速公路系统内车辆的移动，从车辆移动的整体行为来评价城市之间的关联关系，即车辆移动的起点和终点之间的连线使得不同城市连接在一起。从所有车辆行驶形成的空间关联之中，识别出数量最多、规律最明显的空间关联，也可以说明高速公路系统内区域关联的空间分异规律，这对区域管理部门制定面向城市协同发展的规划措施和政策具有重要的参考意义。
因而，在高速公路系统内分别探讨以节点、边和整体为单元的空间分异规律，能够为交通管理部门和区域规划部门进行智慧高速公路建设规划和区域发展经济发展规划提供重要的指导和依据，进而促进区域发展的智慧规划。
在现实生活中，高速公路系统一般总是处于持续运行的状态，因而在区域内属于动态系统，即随着时间的推移，其内部发生着各种动态的过程。分析高速公路系统内各种动态过程的时间演变规律，并进一步预测其发展的趋势和程度，有助于实现“预判式”的精准管理。由于高速公路系统可以抽象为由收费站构成节点、由交通线路构成边的网络，所以本书将从节点上的动态过程、边上的动态过程这两个方面，分别阐述对应的时间演变规律及其对高速公路系统实现智慧管理的意义。
首先是高速公路网络节点上各种交通过程的时间演变规律，其中最重要的就是在不同节点车辆驶入和驶出过程的时间演变规律。监测每一个节点不同类型车辆驶入的数量，形成多种类型车辆驶入数量的时间序列曲线。同时考虑高速公路系统内不同节点对应的多种类型车辆的驶入过程，通过对应的时间序列监测数据，模拟其时间演变的过程，并进一步预测其未来的发展趋势，即预测出高速公路系统内不同节点多种类型车辆在未来时间驶入的数量。这样，一方面可以指导高速公路系统入口的管理人员进行适当的引导和安排，另一方面可估算高速公路系统内车辆总数的变化，探讨高速公路系统的容量阈值。同上述驶入过程描述一样，驶出过程的时间演变监测与模拟也很重要，由于高速公路系统的入口和出口都是收费站，预测高速公路系统内驶出车辆的数量和类型，也有助于管理系统的提前合理安排。针对高速公路网络节点上不同类型的车辆驶入和驶出高速公路系统的过程，监测流量数据形成时间序列，模拟时间序列的演变趋势，并预测未来时刻高速公路系统不同类型车辆的驶入数量和驶出数量，能够为高速公路系统出入口的管理人员提供一定的依据，从而实现出口和入口处“预判式”的车辆引导和处置，促进高速公路系统的智慧管理。
其次是高速公路网络的边上各种交通过程的时间演变规律，主要包括高速公路不同路段上交通事件的形成、发展、演变和结束过程，比较有代表性的就是交通拥堵和交通事故。对于交通拥堵的时间演变过程，可通过路段上连续布置的监测和感知设备，识别车辆的行驶状态，并根据不同车辆行驶状态和空间距离，判断交通拥堵的产生条件，并追踪拥堵的形成。通过积累数据多次模拟与优化，建立道路状况、车辆行驶状态、车辆位置关系等不同因素与交通拥堵之间的关系，构建路段上交通拥堵形成的“识别-判定-预警”机制。在交通拥堵产生后，连续观测拥堵的范围变化，结合流量数据模拟交通拥堵的实际影响，从而辅助管理者进行干预与引导，可通过多种措施并行解决拥堵产生的根本原因，缓解乃至消除拥堵。建立拥堵产生后增长扩散与影响累加的评估和模拟模型及拥堵解决途径的预案库，并通过现实案例不断调整优化模拟模型和解决途径之间的对应关系，从而形成高速公路系统内路段上交通拥堵的空间影响模拟模型和解决途径预案库。对于交通事故的时间演变过程，由于交通事故具有一定的突然性和偶发性，一方面可通过历史记录数据，发现交通事故产生的时空规律和热点区域，从而增设必要的监测设备，以保证能在第一时间获得交通事故的时空位置信息；另一方面可根据监测数据实时评估事件的演变趋势和扩散影响，并据此确定和调整处置策略。对于交通系统内的时间过程，主要是完善交通事件的产生判定、扩散模拟和解决预案之间的充分衔接，可提升高速公路系统内不同交通事件的处置应对效率，从而促进有效管理，构建出智慧高速公路建设与改造过程中智慧管理的部分。
因而，探讨高速公路系统内不同单元（节点和路段）上的各种时间过程，模拟其时间演变规律，建立异常事件监测和预警机制及未来发展趋势和程度的预测模型，辅之以各种处理预案库的建设和完善，可以充分提高交通管理部门对高速公路系统的智慧化管理。
高速公路系统在城市区域内起着非常重要的作用，由于高速公路往往具有广泛的空间分布，同时也处于持续不断运行的过程中，因此高速公路系统与所处的区域环境之间必然存在关联与响应。探讨高速公路系统与所处区域环境不同要素之间的关联响应关系，可以明晰高速公路在区域内的影响范围和程度，进而可以优化智慧高速公路系统建设和改造的方案，达到与环境协调的目标。区域环境主要可以分为人文经济环境和自然生态环境，而高速公路系统具有一定的空间分异和时间演变规律，分别与人文经济环境和自然生态环境之间存在一定的关联响应关系，这种关联响应关系有助于探讨面向环境协调的智慧高速公路系统建设方向。
首先是高速公路系统和人文经济环境之间的关联响应。高速公路系统是区域内人口流动和经济活动中生产要素流动的重要媒介，因而高速公路系统与人文经济环境具有较强的联系，人文经济环境决定了高速公路系统内车辆移动的数量和种类。某一区域内如果工业发达，工业生产活动频繁，就会有生产原料和工业产品的运输，那么该区域的高速公路系统中，靠近工业厂区的收费站和路段上货车会占较高的比例；如果某一区域内人口众多，且经济发展水平较高，居民生活较为富足，那么该区域高速公路系统内小型客车所占的比例较高；如果某一区域存在著名旅游景点或者度假区，那么该区域高速公路系统内大型客车所占的比例较其他区域将会有所提升。反过来，基于区域人文经济环境对高速公路行驶车辆的影响，可以利用高速公路系统内车辆的类型、数量等信息，定量去评估和刻画区域人口流动和经济发展的特色。统计不同区域内进出高速公路系统的多种类型的车辆数量、数量变化等信息，建立高速公路系统内车辆流入/流出的测度体系，可以实现区域经济发展、经济结构等人文经济环境的定量评估与匹配建模。通过数据建模得出高速公路系统交通流量特征与区域人文经济环境之间的对应关系后，可以进一步分析区域经济发展中高速公路系统的主控因素和限制性因素，进而制定相关的高速公路系统改造政策与措施，从而更好地为区域经济提供高速公路交通服务，促进经济增长，达到高速公路系统与区域人文经济环境之间的协调与统一。
其次是高速公路系统和自然生态环境之间的关联响应。高速公路系统的空间分布较为广泛，会与各种类型的自然环境产生相互影响，这种影响可以概括为两个方面，即实体接触影响和流动扩散影响。实体接触主要指高速公路节点或者路段在空间上的分布与地理环境的空间重叠，表现为高速公路穿过了不同的地理环境实体，如山体、河流、农田等。高速公路系统的实体接触影响通常会在一定程度上改变地理环境的形态和特征，如各种桥梁、隧道的建设，改变了山体和河流形态特征。实体接触影响一方面表现在道路设施的修建阶段，修建交通基础设施时不可避免地会对已有的自然环境造成不同程度的改变和破坏，修建完成后生态环境虽然会有一定的恢复，但不会完全恢复；另一方面表现在高速公路的运行阶段，主要是高速公路系统内车辆行驶带来的噪声污染和灯光污染，会对近距离区域内的生态环境造成影响。流动扩散影响主要表现在高速公路系统内车辆行驶时产生的尾气在空气中扩散而产生的影响，降低了大气环境质量。在交通基础设施修建过程中，为了把城市和交通网络充分连接起来，高速公路往往呈现出环状的布局，因而高速公路汽车尾气对城市的影响也将不可避免地持续存在。需要强调的是，流动扩散影响往往比实体接触影响有着更大的影响范围。因而，聚焦于高速公路系统的空间分异和时间演变对区域生态环境的实体接触影响和流动扩散影响，明确不同影响的程度和方式，并相应地提出解决或者缓解的措施，可以促进智慧高速公路建设和改造与生态环境的一致性，从而构建环境协调的智慧高速公路系统。
