随着我国城市化进程的加快和汽车普及率的不断提高,城市交通拥堵问题越来越严重。要解决城市交通拥堵问题,必须对交通系统进行深入的分析和研究。而交通流模型的研究正是交通系统研究的基础,它从复杂的交通现象入手,经过参数辨识和计算机数值模拟,揭示各种交通现象的本质特性,从而为缓解交通拥堵提供有效的策略和可靠的理论依据。因此,本文在已有交通流模型基础上,充分考虑驾驶环境、驾驶特性等因素对实际道路交通系统的影响,利用物理学、应用数学和非线性科学等理论工具,建立一些能更好地描述实际交通流现象的宏观交通流模型,并考察其特性,应用相平面分析法和分支分析法揭示交通流中非线性现象产生的内在机理,重点研究交通流中各种不稳定交通现象。本文的主要工作如下:（1）针对实际交通系统中经常出现的不稳定交通现象,采用一种相平面分析方法,从全局稳定性角度研究拥堵等不稳定交通现象的行为特性。利用变量代换将基于前视预期的宏观交通流模型中的平均车辆速度和平均车辆密度进行等价替换,将原有变量值的范围扩大至无穷大,从而将原交通流模型转换为适合相平面分析的新模型。在相平面图上建立起交通拥堵与系统发散的对应关系,并利用新模型对交通流中经常出现的边走边停现象、冲击波、稀疏波等进行了相平面分析,分析结果表明,相平面图能更好反映交通流量波动趋于不稳定时,交通系统中车辆密度或车辆速度随时间的变化情况。（2）研究智能交通系统环境下不同驾驶特性的宏观交通流模型的交通流分支现象。首先,对原模型进行行波变换,得到适合分支分析的新模型,求解模型方程的平衡点类型及其稳定状态,绘制平衡点在相平面内的全局分布结构,验证数值解和解析解的一致性。其次,推导新模型Hopf分支和鞍结分支的存在条件,并判断Hopf分支和鞍结分支的类型。最后,通过绘制分支点附近相平面图和密度时空时空图,发现Hopf分支和鞍结分支对交通现象的影响,很好地对实际交通中经常产生的局部集簇现象进行了解释。（3）针对驾驶视觉能见度对交通流稳定性的影响,从交通系统稳定性的角度描述城市道路中的的非线性交通现象。考虑不同天气条件下由视觉能见度所引起的车辆速度延迟的影响,提出新的宏观交通流模型。通过线性、非线性分析方法,讨论新模型的非均匀交通流的密度演化。结合微分方程定性理论,研究模型方程的平衡点类型及其稳定状态,绘制平衡点在相平面内的全局分布结构,从系统全局稳定性的角度分析平衡点对交通现象的影响。以平衡点为起始点研究非线性交通系统的各种分支,通过绘制系统的密度时空图,分析了新模型中均匀交通流经过不同分支点时产生的不同交通流现象。结果表明,分支理论可以分析交通流状态的变化,描述非线性交通流现象,可以较好地解释实际交通中时走时停和稳定性突变等交通现象。（4）针对驾驶员在驾驶过程中由于相邻车道车辆的干扰,导致车辆速度延迟的现象,提出考虑横向车辆影响的宏观交通流模型。在线性稳定性和非线性稳定性分析中,得到了新模型的稳定性条件。数值分析探讨了由于横向车辆干扰导致的不同速度差的延迟效应对交通流稳定性的影响。仿真结果表明,考虑横向车辆对目标车辆的影响,可以在一定程度上抑制交通聚集,即对交通拥堵产生积极影响。进一步分析了新模型的平衡点类型和稳定性,推导了Hopf分支和鞍结分支的存在条件,结果表明该模型存在鞍结分支。通过对分支点附近的相平面分析,发现鞍结分支点对交通现象的影响,验证了理论分析与数值模拟的一致性,表明分支理论可以分析交通流状态的变化,描述非线性交通流现象。