交通信号控制是城市交通系统中非常重要的组成部分。现有的相关研究主要侧重于缓解交通拥堵、减少交通延误和提高车辆通行能力等问题。近年来,全球变暖、能源短缺等问题严重影响到人类的生存环境,而交通问题是其重要来源。建立一个高效同时兼顾环境和能源因素的交通信号控制系统是发展可持续交通系统的重要内容,也是当前我国交通规划管理部门迫切需要解决的问题,具有重要的理论和现实意义。本文在分析国内外交通信号控制研究现状的基础上,将环境和能源因素纳入到交通信号控制策略中,对面向可持续发展的信号配时问题开展了系统深入的研究。研究内容主要包括：首先,研究了考虑环境和公平性因素的信号配时优化问题。论文首次揭示了交通信号配时问题背后可能诱发的不公平现象,提出了一个明确地考虑公平性问题的交通信号配时多目标双层规划模型。上层问题是寻求道路网络备用容量最大化,以及道路网络中交通排放总量最小化。下层模型为考虑了车辆在信号控制交叉口延误的确定性用户均衡问题。由于两个目标的单位不一致,不能直接求和运算,提出了将不可通约的目标函数化为同一单位的方法,设计了一个在模拟退火算法中嵌入罚函数法的求解算法。结果表明储备容量扩张和绿信比的变化对网络流量分布和网络交通排放量具有显著的影响。其次,建立了面向能源可持续和考虑异质用户行为的信号配时优化模型。模型综合考虑了两类局中人(信号设计者和道路使用者)与交通信号设置和能源政策(燃油附加费)之间的相互作用,以及异质用户的路径选择行为差异。提出了考虑信号交叉口延误和弹性出行需求的多类用户随机网络均衡问题,并表述为一个等价的变分不等式问题,交通信号设计者通过优化交通信号配时和燃油附加费,来提高交通系统的社会福利。设计了一个基于模拟退火的求解算法来求解该模型。结果表明,燃油附加费政策的实施会引起空间和社会不公平性问题。最后,对面向环境和能源可持续发展的公交优先预信号设置问题开展了研究。在保证公交优先的同时,分别以降低燃油消耗和车辆尾气排放为目标进行信号配时优化。分析研究了预信号设置的布局方法、主信号与预信号之间的协调关系、预信号设置前后的延误分析和燃油消耗以及尾气排放物的变化规律。研究结果表明预信号设置能够使人均延误减少,同时能使公交车辆的燃油消耗和尾气排放降低,但是社会车辆的燃油消耗和尾气排放有所增加；通过优化公交优先交叉口预信号配时,可以找到使整个交叉口的燃油消耗(或尾气排放)最低的信号配时。本文研究成果可为相关部门设计一个面向可持续发展的绿色城市交通信号系统提供有力工具,从而促进交通系统与环境和能源系统协调发展。