随着机动化交通需求迅速增长,快速道路上出现了一系列严重的交通拥堵及安全问题。科学合理的限速值能够使驾驶员车速保持在当前道路交通环境下安全范围以内,但传统快速道路限速值确定方法无法在变化的道路交通环境下为驾驶员提供安全合理的限速值,其本质属于静态限速方法。快速道路可变限速控制技术通过先进的交通流参数自动检测技术,基于实时数据对当前交通流状态进行判别,基于一定的控制策略自动对限速值进行调节,从而对交通流运行进行主动干预,实现改善通行效率及提升行车安全的目的,其本质是一种动态限速方法。作为一种新兴的快速道路主线交通控制技术,可变限速近年来得到了学术界的广泛关注,并在工程实践中取得了一定效果。但目前针对可变限速关键理论问题研究较少,尚未建立起完善的可变限速控制理论基础,严重制约着这一新兴技术的发展。论文研究的开展有助于加深理解可变限速控制对交通流影响机理,了解控制理论与控制算法对于可变限速控制效果的影响,并认识可变限速控制对于改善快速道路交通安全与通行效率的效果。从工程应用角度来看,论文研究有助于提升我国快速道路交通管理水平,改善快速道路上存在的严峻交通问题,具有重要工程应用价值。论文依托国家自然科学基金优秀青年科学基金(No.51322810),采用欧洲、美国和我国相关数据,从机理、技术、效果、实例四方面出发,对可变限速控制技术中关键问题进行探索与研究。论文首先对可变限速控制对交通流影响机理进行研究,其次建立可变限速控制下交通流仿真计算模型,并提出可变限速控制策略与优化算法,之后对可变限速改善快速道路交通安全与通行效率的效果进行评价分析,最后针对我国快速道路交通环境特征验证可变限速控制效果,并为工程实践中限速标志布设优化问题提供解决方法。论文的主要研究内容可以具体分为如下几个方面：首先,根据快速道路可变限速控制下真实交通流数据,分析可变限速对交通流的影响机理。分析可变限速控制下车头时距分布、车辆速度分布及驾驶员对限速值遵从度等特征,研究可变限速控制对于关键交通流参数以及对交通流基本图的影响,并分析可变限速控制对快速道路瓶颈路段通行效率的影响机理。通过对快速道路交通流与交通安全间相关性进行研究,分析可变限速控制对交通安全的影响机理。其次,对可变限速控制下交通流仿真计算模型进行研究,分析可变限速控制下交通流仿真计算中关键问题,建立基本元胞传输模型并对其进行改进与二次开发,对快速道路瓶颈路段通行能力下降现象、拥堵交通流时走时停现象以及不同驾驶员遵从度下可变限速对交通流的影响进行仿真实现,提出可变限速控制下改进元胞传输模型的参数标定与验证方法,并进行实例分析。第三,将可变限速优化控制分为单目标优化与多目标优化两类,分别提出可变限速控制策略优化算法。建立基于遗传算法的单目标可变限速控制策略优化方法,算法在进化过程中寻求优化问题的系统最优解；建立基于强化学习的单目标可变限速优化控制算法,对智能体进行大量训练使其掌握不同交通流状态下最优限速策略；将多目标优化理论与多目标可变限速控制相结合,采用多目标遗传算法对多目标优化控制问题的帕累托解集进行求解计算,并分析帕累托前沿的分布特征。第四,提出面向快速道路交通安全调控的可变限速优化控制方法,重点针对常发拥堵孤立瓶颈路段以及连续瓶颈路段两类道路设施,分别建立实时交通事故风险预测模型,提出可变限速控制策略,采用遗传算法以及强化学习算法对可变限速控制效果进行优化,并对两种算法的优化控制效果及适用范围进行对比。第五,提出面向快速道路通行效率改善的可变限速优化控制方法,首先提出改进的可变限速反馈控制算法,针对入口匝道孤立瓶颈路段分析其控制效果。之后分析基于强化学习的可变限速优化控制效果,并对比反馈算法与强化学习算法在控制机理及控制效果方面的差异。针对快速道路不同交通瓶颈路段,分析可变限速与匝道控制算法的效果,提出可变限速与匝道协调控制算法,建立不同路段及交通流情况下最优算法选择方法。第六,针对多目标可变限速控制优化问题进行研究,提出旨在同时改善快速道路交通安全与通行效率的可变限速控制策略,采用多目标遗传算法对多目标可变限速控制的帕累托解集进行求解计算,分析帕累托解集在各优化目标的控制效果,并分析不同限速标志布设及驾驶员遵从度情况下帕累托前沿分布特征,为最优策略选择提供决策支持。第七,针对面向我国快速道路的可变限速控制进行实例分析,对我国快速道路设施特征、交通流运行规律及交通拥堵生成机理进行分析,提出面向我国快速道路交通环境的可变限速控制方案,根据采用我国数据标定后的元胞传输模型,仿真分析可变限速控制策略对于减少我国快速道路通行时间及事故风险的效果,并与以往控制策略的效果进行对比。最后,针对快速道路主线可变限速标志优化布设问题开展研究,提出一种可变限速标志布设位置优化确定方法。该方法根据事故风险模型对危险瓶颈路段进行识别,根据不同可变限速控制路段长度及限速标志布设密度设置多种布设方案,对每种方案下可变限速控制效果进行评价,并且针对不同方案进行投资-效益分析,从而确定最优限速标志布设方案。