随着城市规模的不断扩大,快速路已成为支撑整个道路交通系统运转的关键,发挥着不可替代的作用。尽管快速路的定位是为长距离、快速交通出行服务,但日益增长的交通压力所带来的交通拥堵问题却也不可避免的发生在快速路上。正是由于相对封闭的道路结构,阻碍了排队车辆的疏散,导致快速路交通拥堵时空影响更加明显。由于快速路的重要功能和特殊地位,控制和解决城市快速路交通拥堵问题迫在眉睫。基于现有的交通数据和信息资源,如何快速捕捉交通运行的外在特征和演变规律,准确评判快速路网的交通现状及潜在能力,合理预测交通拥堵的变化和发展趋势,是快速路交通管理的关键。因此,论文立足于为交通管理体系服务,从北京市快速路的实际问题和需求出发,开展对交通态势评估的关键理论和技术方法研究,重在突出城市快速路交通流的宏观特征和动态变化。为全面了解快速路交通特性,基于实测数据标定了交通流基本图模型,对比分析了流量、占有率的时变关系和周期性特征；通过时间比例筛选,获取了高峰时段快速路网中的常发性拥堵路段,分析了典型路段的拥堵时空比例分布；引入残存函数并采用Lognormal概率分布描述了快速路段常发性交通拥堵持续时间特征；采用速度时空分布云图直观呈现了偶发事件下的交通拥堵演变规律。为实现对快速路网交通拥堵状态的预报和预警,提出了基于改进元胞传输模型的快速路交通状态估计和预测模型。基于快速路物理结构和交通特点,引入可变元胞长度变量进行了不等长元胞划分,提出了“虚拟传输能力”概念适度扩大了元胞传输的时间间隔,并采用Van Aerde交通流模型替代假设的“梯形”结构模型,描述了交通流参数间的非线性关系；基于改进元胞传输模型获得交通流基本参数,设计了对交通拥堵强度、扩散范围、持续时间和影响程度的参数估计算法；选取密度为状态变量、速度为观测变量,建立了快速路非线性交通状态空间预测模型；引入了扩展卡尔曼滤波理论解决了非线性模型的多步预测问题；并最终通过了模型的实例验证。围绕快速路宏观交通状态评价问题,构建了基于运行速度里程分布的“宏观交通状态指数”评价模型。提出了交通流宏观基本图模型的矢量算法,建立了北京市不同时期的快速路平均流量-平均密度-平均速度的关系基本图,用于描述网络实际交通服务水平；在此基础上,提出了快速路宏观交通状态的五级划分方法；经过大量统计分析得到了不同宏观交通状态下的运行速度概率分布模型,建立了基于百分位速度临界值的快速路“宏观交通状态指数”评价方法,并通过西三环路实例验证了模型的适用性。最后,选取北京市西三环快速路网为研究对象,实现了交通状态多步预测；同时对路网宏观交通状态进行了预评价。论文从北京市快速路交通问题的实际出发,完成了从理论分析、特征研究、模型构建到模型应用四个环节研究工作,同时从提高模型精度、扩大模型应用等方面提出了展望,以期能够为城市交通管理提供可靠的交通态势评估结果。