对交通出行者而言,交通拥堵意味着出行时间增长、生活成本增加、生活质量下降。对城市交通管理者而言,交通拥堵意味着道路运营成本提高、交通网络运输效率降低、交通事故发生率提高。从整个城市发展来看,交通拥堵意味着城市能源浪费严重、空气污染加剧、噪音污染加剧。对城市交通拥堵控制问题的研究解决成为城市发展建设的重要课题。从交通信号控制的角度着手解决交通拥堵问题,不仅要考虑信号控制策略的可靠性,还要考虑策略实时时间的主动性。本文针对现有的城市交通拥堵信号控制问题,结合城市道路交通状态特点分析和网络交通流宏观仿真技术,建立了路段、交叉口以及区域交通状态观测方法和城市网络交通流宏观仿真模型,并对不同控制范围以及不同交通状态下的交通拥堵主动防控和快速疏导信号控制策略方法、配时优化模型、策略触发时机和不同策略间应用切换时机进行了相关研究和探讨。完成的主要科研工作与取得的重要研究成果概括如下:1.基于模式识别的基本理论,研究分析了城市道路交通流的运行模式;根据城市交通流运行参数特征以及K-NN非参数回归短时预测原理,建立了基于交通流时间序列模式识别的交通流短时预测模型和路段交通拥堵状态观测方法;通过建立交叉口交通状态观测模型实现对交叉口不同严重程度交通状态的全面观测。利用路网内各路段上车辆数的标准差(SDVL)表征车辆密度的空间变化性,通过对路网交通死锁形成过程中的SDVL变化规律分析,验证了城市同质交通路网SDVL-MFD的存在,然后提出了基于SDVL-MFD的城市路网宏观交通状态分析方法和基于SDVL变化模式识别的区域交通状态预测方法,为交通拥堵的主动防控打下了可靠的基础。2.利用交叉口内车流路径上交通流转入转出过程模拟交叉口内所有可能的车流放行冲突阻碍情况,在基于车道组的宏观交通流模型上建立了基于车道组及交叉口内车流路径的交通流宏观仿真模型并进行了模型仿真验证分析,并最终研发了城市网络交通流宏观仿真系统,为交通控制问题解决提供快速仿真工具支持。3.分析了交叉口不同交通状态下的一般控制策略方法,详细研究了交叉口各相位车流延误时间和排队长度计算方法。制定了轻度拥堵状态下交叉口拥堵防控“泄流”策略和中度拥堵状态下交叉口拥堵疏导“泄流+限流”策略,并建立了两种控制策略对应的具体信号配时优化模型。4.根据区域内瓶颈拥堵触发时交通状态特点,制定了区域交通拥堵防控目标和启动时机。根据相邻交通流之间的关联性分析,建立了基于相邻交通流关联性计算模型。基于相邻交通流关联性模型提出了区域交通拥堵防控区域划分方法,然后建立了区域拥堵防控多目标配时优化模型,并提出了基于宏观交通仿真模型和改进小生境遗传算法的模型求解方法。5.通过分析“外控内疏”策略原理,基于相邻交通流关联性计算模型,提出了区域交通拥堵“内疏”区域(堵塞区)和“外控”区域(缓冲区)划分方法以及策略启动时机。通过分析“外控”、“内疏”两个控制区域的交通控制需求以及交通控制策略的相互影响,然后利用值型双层规划原理建立了城市区域交通拥堵快速疏导配时优化模型,并利用嵌套遗传算法进行模型求解。6.最后,明确了本文提出的各城市交通拥堵主动防控与快速疏导控制策略的切换逻辑和触发使用流程,并以广州市天河区珠江新城区域路网为案例,利用基于车道组和交叉口内车流路径的网络交通流宏观模型进行交通运行模拟,利用基于交通流时间序列模式的交通状态观测方法,根据仿真运行实时观测结果触发单交叉口和区域交通拥堵主动防控和快速疏导不同控制策略的启动时机和切换逻辑,实现拥堵状态下路网交通信号配时方案实时优化。总的来说,本文为城市交通拥堵治理为题提供了一套完整的理论与方法体系。