交通流理论研究作为一门新兴的交叉性边缘科学,近年来受到了科学工作者和工程师们的广泛关注。交通流理论研究的长远目标是要建立能够描述实际道路交通一般特性的交通流模型,以揭示控制交通流的基本规律,从而更好地指导交通工程部门规划、设计、建造和完善城市交通网络与交通控制系统服务。同时,作为一种典型的自驱动远离平衡态系统,交通流理论研究可以加深人们对人类社会生活中一类伴有复杂相互作用的多体系统远离平衡态时的演化规律的认识,促进统计物理、流体力学、非线性动力学、应用数学、交通工程学等多学科的交叉和发展。因此,开展交通流研究,不仅具有实际的工程应用价值,还有深远的科学意义。要建立符合实际的交通流模型,首先有合理的交通流理论作为基础。当前的交通流理论研究领域,存在两大主导性的交通流理论体系,即基本图方法和三相流理论。作为传统交通流理论的基本图方法是以道路交通的车辆密度和流量关系为基础发展出的一整套交通流理论,它将交通流区分为自由流相和拥挤流相。而作为交通流理论最前沿的三相流理论,则进一步把拥挤流相划分为同步流相和宽运动堵塞相。基于这一新理论的交通流模型在模拟实际交通状况,特别是瓶颈处的交通拥塞状况相比基本图方法更加符合实际观测结果,因此近些年来逐渐受到各国学者的认同和重视。研究交通流,除了要有合理的理论作为指导,还需要选择合适的建模工具。从上个世纪三十年代交通工程学诞生以来,科学家们提出过数百种描述交通流的模型,其中经典的有三十年代的概率论模型,五十年代的运动学模型和车辆跟驰模型,七、八十年代的流体力学模型。九十年代以来,随着计算机技术的飞速发展,元胞自动机(Cellular Automaton,简称CA)模型得到了迅猛发展,由于其结构简单,规则意义直观明晰,且易于计算机实现而受到越来越多的科学家和工程师的青睐。本文在三相流理论的基础上,利用元胞自动机建立了更为符合实际的交通流模型,并且通过理论分析和数值模拟,揭示了交通流中的各种特征,并且利用时间序列分析的方法,对三相流理论中的各个流相赋予明确的、数学上的特征。本文的主要工作如下:1.研究了元胞划分的细化作用对交通流模型的影响。以NaSch模型为基础,将网格细分,模拟不同加速和随机慢化条件下的交通流动态特征,模拟发现当车辆加速度a大于随机慢化减速度D的时候,基本图和道路时空特性相比NaSch模型没有本质的变化;而当车辆加速度a小于随机慢化减速度D时,交通流的时空特性发生质变,拥挤相中出现了同步流的特征。在开边界条件下,引入慢启动规则,模拟入匝道瓶颈处的交通流状态,模拟结果与实测结果相吻合。以上发现有助于揭示了同步流的一些内在特征和产生机制。2.在基本图方法的NaSch模型基础上,考虑驾驶过程中的预估效应(anticipation effect),提出了一种新的元胞自动机模型,这种效应的引入避免了以往的元胞自动机交通流模型的过反应(overreaction)现象,并且此时交通流的特性发生重大变化,一定密度区域内会出现同步流特征。在此基础上,模拟了开边界条件下的入匝道瓶颈交通,发现模拟结果与三相流理论完全一致,并且符合交通实测结果。对模拟的结果做出相关性分析和概率分布分析,也与实测结果相一致。此模型结构简单却能够再现大量实测交通的特征,简洁而深刻地揭示了交通流,特别是同步流的本质。3.运用时间序列分析中的去趋势波动分析方法(detrended fluctuation analysis)分析三相流理论模型的各个流相,根据得到的幂律关系来从数学和统计的角度严格区别自由流,同步流和宽运动堵塞。比较了基本图方法模型和三相流理论模型的分析结果。同步流的时间序列呈现复杂的长程相关特性,而基本图方法的模型模拟得到的时间序列都是长程反相关。另外,分析结果显示三相流理论模型的时间序列存在1/f(pink noise),重现了实际观测的结果。