随着我国城市化的快速发展,城市人均汽车保有量迅速攀升,给空间极度有限的城市交通网络造成了前所未有的巨大压力。近年来,交通工程学和信息技术取得了突飞猛进的进步,给智能交通系统带来了巨大的发展前景,但目前仍然不能解决交通出行中遇到的所有问题,拥堵仍然是城市交通的顽疾,随之而来的是能源浪费、环境污染和安全事故等衍生问题。交通拥堵问题是近几年国内外交通领域学者研究的热点问题之一。要解决交通拥堵问题,关键是深入挖掘交通拥堵的产生机理,建立科学合理的数学模型,刻画复杂多变的实际交通问题产生过程,进而选择针对性的控制策略,实现交通供需之间的动态均衡。制约城市主干路通行能力的关键点是路口,由于“瓶颈效应”,路口的通行能力比路段低,交通需求过大就会引发拥堵。交通溢流现象是路口交通拥堵的一种极端现象,会引发以拥堵路口为中心的四个方向的格锁,随着发生格锁路口的增多,整个交通路网会发生大面积的交通瘫痪。因此,探索合理的控制策略避免交通溢流的发生是非常有意义的。排队长度是造成交通溢流现象的关键因素,也是研究交通溢流发生机理的着手点。基于以上解决交通拥堵的基本思路,本文深入研究了排队增长和消散的动态变化过程,利用冲击波理论对单路口的排队做了分析,并对传统的冲击波理论做了改进,利用视频检测器获取路口的实时排队,提出了基于排队的冲击波理论,提高了冲击波理论在估计排队长度方面的精确度。在路段排队长度的分析中,将冲击波理论和传统的累积的输入输出方法结合起来,利用基于排队的冲击波理论估计路口的排队消散速度,利用累积的原理估计路段某段时间后的排队长度,克服了交通波理论要求稳定交通流的弊端,提高了模型的鲁棒性。最后,在此研究之上挖掘交通溢流形成的机理,提出了基于“物理排队”的交通溢流发生机理模型,并提出了交通溢流持续时间和平均溢出排队长度两个关键参数的估计方法。仿真显示,该方法的基本思路与实际交通溢流发生现状比较吻合。此外,本文还提出了交通溢流控制模型。在单点信号配时研究和单向绿波协调信号配时方法研究基础上,提出了城市主干路协调控制策略下以避免交通溢流发生为目标的相位差优化的思想,利用基于排队的冲击波理论和累积的输入输出方法,根据从下游路口信号周期开始到最大排队发生时上游到达的车辆数加路段初始排队车辆数等于下游路口消散的车辆数的基本物理原理,推导出了发生交通溢流时的临界相位差模型。算例分析通过改变同一长度路段的流量和同一流量下改变路段的长度,分别计算临界相位差,结果显示,模型能够有效避免交通溢流现象的发生。本文提出了交通溢流发生机理模型和交通溢流控制模型,揭示了交通格锁拥堵形成的机理原因和控制方法,为解决交通格锁拥堵提供了理论依据,丰富了微观交通流理论,为微观交通流理论与控制策略研究提供了新的理论方法。