城市交通问题是制约现代城市发展的重要问题之一。城市交通问题严重影响着城市客、货运输效率，以及城市居民的出行和城市的可持续发展。现阶段我国城市交通问题严峻，交通拥堵已成常态，交通排放导致城市持续雾霾，严重的影响着交通出行的效率和城市民众的健康。自组织理论可以很好的刻画系统的发展变化，交通系统也适用于自组织理论的研究。应用自组织理论研究城市道路交通流系统运行的目的是，以自组织理论的眼光研究城市道路交通流系统的运行，掌握城市道路交通流系统运行机理，刻画城市道路交通流系统运行状态变化过程，根据采集到的交通参数，确定当前交通状态，并预测交通态势的变化走向。基于自组织理论的交通流运行规律研究，有助于交通管理者掌握交通态势和走向，并制定相应的交通管控策略，以减少城市交通拥堵，减少民众交通出行的时间消耗，提高城市交通运行速度，提高城市交通管控效率，有助于从根本上解决城市交通问题，促进城市交通的健康发展。基于上述的原因，本文致力于研究城市道路交通流自组织运行机理与控制方法。主要的研究工作包括以下几方面内容：基于自组织理论的城市道路交通流系统运行研究。介绍自组织理论的发展，并分别介绍自组织理论的重要分支，与此同时确定自组织理论研究对象的特点，界定自组织理论的研究范围。阐述道路交通系统的结构，以及其中道路交通流系统的工作原理以及特点。根据城市道路交通流的特点以及自组织理论所研究系统的特性，讨论并确定了自组织理论在城市道路交通流系统运行研究中应用的合理性。城市道路交通流系统自组织运行研究。以城市快速路的交通流相研究入手，根据城市快速路车辆的行使自由度，对其交通流相进行划分，将城市快速路的划分为自由相、畅通相、协同相、堵塞相四个交通流向。然后，以此为基础，研究交通流化更为复杂的城市道路路段的交通流相变化。通过城市道路交通流的二流分析，交通密度与排队长度的研究，并通过一系列数学推导和数据验证的方式，确定了城市道路路段交通流相划分，将城道路路段交通流相划分为畅通相、强制相和拥挤相三个流相。最后研究城市交通流的涨落机制，以及城市交通流的涨落对交通流相变的促进作用，并且用数学表达式描述的城市交通的涨落。基于耗散结构的城市交通流运行模拟研究。应用耗散结构原理分析城市道路交通流系统的运行。通过单一路段的交通耗散结构模拟，进而扩展到整个路网的交通耗散结构模拟，并建立城市道路网络的交通耗散结构模拟模型。并进行仿真实验，对比路网交通VISSIM仿真和路网的交通耗散结构的模拟计算结果，结果显示，城市道路交通耗散结构模型可以很好的模拟城市交通流的运行。基于沙堆动力学的城市交通堵扩散模拟研究。从城市道路交通网络交通拥挤发生机理入手，研究城市道路网络拥堵时交通排队过程。并根据城市道路交通拥堵的沙堆动力学特性，建立城市道路网络交通拥堵的沙堆动力学模型。并进行模型的验证，验证结果可以看出，基于沙堆动力学的交通拥堵扩散模拟模型可以较好的模拟预测交通拥堵在交通网络上的传播。基于城市道路交通流系统自组织特性的信号控制方法研究。探讨了基于城市道路交通流系统自组织特性的交通控制策略，并制定了延误最小与密度均衡切换式信号控制方法。研究应用该方法进行具体信号控制的流程，分别建立了延误最小和密度均衡的信号控制优化函数，并设计了求解方法。最后对比只有延误最小控制和应用延误最小与密度均衡切换的交通信号控制方法的优劣。结果显示，应用最小延误和密度均衡切换的信号控制方法可以有效的延缓交通拥堵的发生。论文中涉及到的研究内容、研究方法和研究结论是对城市道路交通流系统运行状态模拟和控制方法的一个探索。可以为制定城市道路交通状态模拟和判别提供理论依据和工程参考。