高速公路作为连接城市与城市、地区之间的重要道路桥梁,能够为道路交通使用者提供高效、便捷的道路交通服务,在促进区域联动经济发展过程中起着重要的加速作用。机动车保有量的急速增加,高速公路交通拥挤问题日益严峻,诱发了环境污染加重、燃油消耗增加、交通运行效率降低等一系列问题,使得高速公路交通运行稳态遭到破坏,严重制约着社会经济的进步和综合服务水平的提升。目前针对高速公路交通拥挤问题所存在的相关研究中,通常采用单一的交通控制方法或诱导方案对高速公路常见交通拥挤问题解决,关于采用联合控制方法提升交通控制效果和效率的研究尚未形成可靠、有效的交通联合控制体系,在丰富高速公路交通拥挤问题解决方法的合理、简洁、高效性方面存在较大的提升空间。因此,如何针对高速公路道路交通拥挤问题,制定可靠的交通控制方案,及时缓解交通拥挤问题带来的负面影响,提升高速公路服务质量是本文研究的主要课题。本文立足于解决高速公路高频交通拥挤问题,在深入分析高速公路交通拥挤问题诱因及存在区域类型的基础上,将高速公路交通拥挤划分为线拥挤、区域拥挤及路网拥挤三类,并分别针对各类交通拥挤问题,提出以主线可变限速控制方法为核心,结合匝道控制和交通诱导的多种协同控制方法,以实现交通拥挤控制层叠体系构建,为进一步完善高速公路智能交通控制体系建设提供必要的技术支持。本文主要工作和研究成果如下四个方面所示。1)主线可变限速控制基础与短时交通流预测方法研究方面。在已有的研究成果基础上,对主线可变限速控制方法适用性和在不同交通状态情况下作用机理进行剖析;在对经典的二阶宏观交通流模型对交通情况描述范围研究的基础上,对宏观交通流模型进行改进和扩展研究,使其能够描述主线可变限速控制条件下主线道路交通状态演化过程;同时,综合考虑高速公路交通控制对各类交通参数的预知性和交通控制方法实施的有效性需求,以自校正预测二维权值分配为主要思想,提出基于二维时间序列的短时交通流融合预测模型,并构建短时交通流融合预测模型实施流程。本部分的研究成果能够为高速公路主线可变限速控制方法的深入研究和智能交通控制体系的完善提供必要的理论支持和准确的数据基础。2)高速公路主线可变限速控制方法研究方面。在对高速公路交通拥挤形成原因分析基础上,将交通拥挤原发区定义为高速公路主线道路上存在静态或动态的能够致使道路交通通行能力下降的区域,并对主线瓶颈路段作为交通拥挤原发区时存在的两类常见线拥挤问题形成原因及辐射范围描述,进而提出采用主线可变限速控制方法解决主线瓶颈路段所诱发的两类常发性线拥挤问题:针对第一类线拥挤问题,即具有自影响特性的主线瓶颈路段交通拥挤问题,首先根据瓶颈区域交通运行情况,构建主线瓶颈区域交通描述模型,并在对交通拥挤特点分析和考虑模型预测控制思想基础上,具有针对性的提出高速公路主线可变限速单点控制方法,以有效解决该类交通拥挤问题;针对第二类线拥挤问题,即上游存在出口匝道的主线瓶颈路段所诱发的交通拥挤问题,在探讨该类交通拥挤特点基础上,对主线可变限速协调控制方法实施的可行性和必要性分析,创新性的提出采用上下游主线可变限速协调控制方法解决该类交通拥挤问题,并设计协调控制策略和构建协调控制模型。本部分的研究成果能够针对主线瓶颈路段所诱发的两类线拥挤问题提供有效的交通控制解决方案,同时为进一步实现准确的交通决策和交通状态优化提供合理的方法支持。3)高速公路主线可变限速与匝道协同控制方法研究方面。对高速公路主线道路与进口匝道连接处存在的匝道合流区交通特性分析基础上,探讨了主线可变限速控制与匝道控制相协同解决该区域拥挤问题的必要性,并针对两类常见匝道合流区区域拥挤问题,具有针对性的提出了主线可变限速与匝道协同控制方法。其中,针对具有自影响特性的匝道合流区区域拥挤问题,在考虑交通通行权均衡分配和匝道合流区该类区域拥挤特性基础上,设计了以交通流密度为基础的交通状态指标,并以此为基础构建了主线可变限速与匝道协同控制模型;同时,针对匝道合流区下游主线瓶颈路段交通拥挤上溯致使匝道合流区产生次生区域拥挤问题,在对该类区域拥挤特性分析的基础上,提出采用交通流密度和排队长度作为基础指标对匝道合流区交通通行权合理配比,进而设计匝道合流区下游瓶颈路段主线可变限速与匝道协同控制方法。本部分的研究成果能够为高速公路匝道合流区交通拥挤问题解决提供新的解决思路和为高速公路交通拥挤控制体系构建提供科学的技术支撑。4)高速公路可变限速控制与交通诱导协同方法研究方面。针对目前高速公路区域路网交通控制方法单一和路网拥挤问题严重的现状,在对已有相关研究成果分析的基础上,对可变限速控制与交通诱导协同必要性分析,并对采用双层优化控制思想将可变限速控制方法与交通诱导方法相协同的可行性进行深入探讨,以此为基础,提出了基于双层优化控制理论的高速公路可变限速控制与交通诱导协同方法,以解决区域路网内存在常见路网拥挤问题。其中,双层优化控制系统中,上层优化控制模型主要考虑了用户均衡和系统最优问题;下层优化控制模型主要考虑了单路径最优问题。本部分的研究成果能够为高速公路路网交通拥挤问题的缓解提供新颖的控制思想,为高速公路智能交通系统的完善和扩充提供了必要技术支撑。本论文研究过程中始终以实用性、均衡性及进步性为研究思想,针对高速公路交通拥挤问题从线拥挤、区域拥挤及路网拥挤角度出发提出相应的交通控制方法,努力将先进的交通控制方法与高速公路工程应用相结合。本文涉及的研究内容、方法及结论是对高速公路智能交通控制管理体系的拓展和完善,各项研究成果对于进一步改善高速公路交通状态,提升交通运行效率,提高我国高速公路交通规划、管理及控制水平具有重要的学术价值和实际意义。