城市快速路是我国大、中城市道路网系统的重要组成部分,是缓解城市交通拥挤的重要举措之一。然而,城市快速路建设投资巨大、涵盖范围较广,引导着城市的发展方向,所以快速路的建设必须科学、合理。随着我国城市快速路建设步伐的加快,对快速路的规划、建设及运营管理的要求不断提高,现有体系已无法满足需求,加快快速路规划、建设及运营管理相关研究显得尤为迫切。论文以教育部高等学校博士学科点科研专项基金为依托,以快速路入口、出口匝道连接段为研究对象,在进行大规模交通调查的基础上,运用统计分析理论、元胞自动机理论、交通波理论、模糊控制理论等相关理论与方法,开展快速路匝道连接段交通流运行特性、通行能力计算方法及匝道设置相关研究,建立并确定快速路匝道连接段通行能力及匝道设置指标体系。通过这些方法和模型的研究,以期为我国快速路系统的规划、建设及运营管理提供科学依据,同时也为其它高速道路提供重要借鉴。论文选用磁映像及气压管脉冲等现代交通流检测技术,采用组合检测方法进行调查方案的设计和实施,获取了我国典型大、中城市快速路入口、出口匝道连接段交通流、道路基础设施及交通管理措施等方面的数据。通过对匝道连接段总体交通运行特性分析的基础上,结合调查数据着重分析了匝道连接段交通流流量速度特性、车头时距特性、加减速度特性及宏观交通流三参数特性,从而建立了匝道连接段车头时距分布的威布尔模型及宏观交通流三参数的相互关系模型。为后续匝道连接段通行能力计算模型及匝道设置研究奠定了基础。针对当前匝道连接段通行能力的确定基本沿用美国《HCM》方法存在的不足,论文采用间隙接受理论、交通波理论及元胞自动机理论等分别建立了快速路入口、出口匝道连接段的通行能力的计算模型。在对入口、出口匝道连接段的实测数据分析和处理的基础上,对建立模型的相关参数进行标定,从而确立了城市快速路入口、出口道连接段的通行能力值,并给出了相应的通行能力推荐值。在入口、出口匝道连接段通行能力计算方法研究的基础上,分析了快速路入口匝道控制的类型及控制效果,总结并归纳了三种入口匝道控制策略,即主线优先控制策略、交替通行策略和信号控制策略,分析了各种控制策略的优缺点,研究确定了入口匝道调节条件下的匝道连接段通行能力。针对现有快速路匝道变速车道设置条件不确定性的不足,提出了快速路变速车道的设置条件。在此基础上,利用车辆动力学理论、间隙接受理论建立了快速路变速车道长度计算模型,进一步研究集散车道和匝道间距设置方法问题,给出了城市快速路主线不同设计速度下的变速车道长度及相邻匝道间距的建议值,并给出了集散车道设置原则及集散车道长度计算方法。结合模糊理论和神经网络理论的优点,提出了基于神经模糊系统控制法来实现快速路入口匝道的自适应控制,并给出了控制器的设计步骤和实例,结果表明入口匝道控制能有效提高快速路入口匝道连接段的通行能力。最后,利用VISSIM微观仿真软件构建了入口、出口匝道连接段的仿真模型,并结合实测数据对模型参数进行了标定,给出了仿真结果。同时,利用Matlab相关工具箱开发了快速路入口、出口匝道连接段的元胞自动机仿真模块,并进行了不同变速车道长度的快速路入口、出口匝道连接段交通流仿真,从而有效验证了匝道连接段通行能力计算模型及相关设置的理论研究成果。