近年来,交通拥堵、交通污染和交通事故等一系列交通问题已成为严重制约城市发展的重要瓶颈。因此,如何有效地利用交通资源,减少交通能耗和交通事故是一个亟待解决的问题。本文在交通流微观模型的基础上,针对存在限速区、减速带、弯道和上、下坡道的复杂路段,提出改进的模型,并进行相应的数值模拟和分析,研究了交通流的宏观特征和交通拥堵现象的生成机理,并重点探讨了复杂路段的交通能耗和交通事故概率问题。此外,还为道路合理规划、设计及拥堵控制提出相关建议。全文的主要工作如下：一、考虑含有单限速区和多限速区的复杂路段,分别提出单限速区和多限速区交通流元胞自动机模型,研究不同限速区对交通流宏观特征、交通能耗和交通事故概率的影响,并探讨交通拥堵的生成机理。在NaSch模型的基础上,首先考虑含有一个限速区的道路系统,提出了描述单限速区的交通流元胞自动机模型。数值模拟研究了限速区长度、限速大小和随机减速概率对交通能耗的影响。通过对基本图、能耗图等定性分析及典型时空演化斑图的研究表明：较长的限速区尽管能够有效地减小交通能耗,但同时也会导致道路系统通行能力的降低；在自由流状态下,平均速度(平均流量)和交通能耗随限速大小的减小而减小。在拥堵相,限速大小对交通流及交通能耗不起影响作用；随机减速概率对能耗有重要的影响作用。其次,通过考虑多速度区路段,建立了多限速区的交通流元胞自动机模型,重点探讨了不同边界条件下限速区的数量、各限速区限速大小的差异以及各限速区位置空间的不同对交通能耗和交通事故的影响,并分析了产生交通拥堵的微观机理。结果表明,多限速区的设立导致交通系统中出现了多相(自由流相、堵塞相和饱和流相)共存的现象；限速区的数量并不影响系统的平均流量及平均速度；合理设置限速区的速度大小,减小正常行驶区的速度Vmax与限速区的限制速度Vs之间的差异,不仅可以缓解交通拥堵,而且还可以减少交通事故。二、考虑存在减速带的道路系统,引入感观速度来刻画不同驾驶员通过减速带的行为特征,提出减速带效应的交通流元胞自动机模型,研究由减速带所诱发的交通流宏观现象的产生机制。以NaSch模型为基础,引入感观速度来描述不同驾驶员通过减速带时的行为特征,提出了减速带效应的交通流元胞自动机模型。数值模拟研究了感观速度大小,减速带数量对交通流、交通能耗以及交通事故概率的影响。计算机模拟结果表明：减速带的设置能有效地降低交通流量,减小平均速度；在低密度下,感观速度越小,交通能耗和交通事故概率也就越小,而在高密度下,交通能耗和交通事故概率与感观速度无关；减速带数目的增加并不总是对减小交通能耗和交通事故起积极作用,只有选择恰当的减速带个数才能够有效地减小交通能耗和交通事故的发生。三、考虑驾驶员的行为习惯(激进驾驶或谨慎驾驶),提出含弯道路段的交通流元胞自动机模型,研究弯道对交通流、交通能耗及交通事故概率的影响。将NaSch模型进行拓展,引入激进车和谨慎车来描述驾驶员的不同驾驶习惯,提出了弯道效应的交通流元胞自动机模型。数值模型研究了谨慎车占有率、弯道曲率半径、弯道弧长和路面摩擦系数对交通流、交通能耗以及交通事故概率的影响。结果表明：弯道在整个系统中起限速作用,产生了“瓶颈效应”；谨慎驾驶能够有效地减小交通能耗的损失和交通事故发生的概率；适当地增大弯道曲率半径和摩擦系数,并尽量地减小弯道弧长的长度,不仅可以增大道路的通行能力,而且还能够减少交通事故的发生。以上研究结果可为弯道的合理设计及交通拥堵控制提供有益的参考。四、基于LSK模型,考虑上、下坡的安全间距不相等,减速概率与坡度有关来反映在重力牵引下,上、下坡车辆惯性的改变、驾驶员心里及汽车性能等各方面的差异,提出上、下坡道的交通流元胞自动机模型,研究坡道对交通流、交通能耗及交通事故概率的影响。在LSK模型的基础上,针对由上、下坡道所构成的道路系统,考虑上、下坡的安全间距不相等,减速概率与坡度有关等因素,来刻画在重力牵引下,上、下坡车辆惯性的改变、驾驶员心理及汽车性能等各方面的差异,提出了含上、下坡道的交通流元胞自动机模型。数值模拟研究了上、下坡道对称和非对称性时,坡度和坡道长度对交通流、交通能耗、交通事故概率的影响。结果表明：上、下坡对称时,平均速度、流量和交通能耗都随着坡道长度的增加而减小,交通事故概率随着坡道长度的增加而降低；坡度比坡道长度对交通流的影响更大。因此,在坡道设计中,应优先考虑坡度；上、下坡道非对称时,上坡坡道对交通流的影响更显著。因此,减小上坡坡度不仅有利于减小上坡坡道路段前的交通拥堵,而且有利于提高系统的通行能力。相关研究结果可为坡道的合理设计及交通拥堵控制提供有益的参考。最后,对全文进行了总结,并指出需要进一步研究的问题。