سیستم‌های حمل و نقل، از جمله حمل و نقل بار و کالا، سیستم‌هایی ذاتاً پیچیده هستند. این پیچیدگی ناشی از تعداد زیادی عنصر در حال تعامل است که اغلب به صورت غیرخطی و با حلقه‌های بازخوردی بر یکدیگر تأثیر می‌گذارند. علاوه بر پیچیدگی درونی، سیستم‌های حمل و نقل با سیستم‌های بیرونی دیگری مانند اقتصاد، کاربری زمین، محیط زیست و انسجام اجتماعی نیز ارتباط تنگاتنگ دارند. این ارتباطات می‌تواند به منافع متعددی منجر شود که اغلب با هم در تضاد هستند. بنابراین، مدل‌های ریاضی ابزارهایی بنیادین برای ارزیابی و یا طراحی اقدامات مؤثر بر عناصر فیزیکی (مانند یک راه‌آهن جدید) و یا اجزای سازمانی (مانند یک جدول زمانی جدید) سیستم‌های حمل و نقل هستند. همچنین، مدل‌سازی تأثیرات متغیرهای متعدد و تعاملات آن‌ها نیازمند ابزارهای ریاضی قدرتمند است.