近年来,高速公路网正处于扩展和提升阶段,然而随着道路交通需求的迅速增加,各类交通问题开始凸显,道路通行能力急剧下降。目前针对高速公路通行能力下降问题的研究大多采用单独的交通控制方案,尚未形成有效的协同控制体系。因此,本文针对高速公路合流区可变限速和换道协同控制展开研究,以期为高速公路的管理提供决策支持。介绍合流区的相关概念及分类,选取单车道平行式入口匝道合流区作为主要研究对象,对合流区换道的影响因素、高速公路瓶颈的交通特性等相关理论分别展开研究。选择元胞传输模型作为基础交通流模型,根据高速公路瓶颈区域相关理论对元胞传输模型修正,以此模拟可变限速控制下的高密度交通流;针对合流区换道控制,建立多车道元胞传输模型,模拟合流区主线换道行为及换道控制对合流区交通流运行的影响。讨论MPC控制系统相关问题,提出高速公路合流区可变限速和换道协同控制策略。在考虑换道行为影响的基础上,提出以最佳车道密度分布和最少换道次数为控制目标的合流区换道控制策略。基于高速公路主线和匝道的交通需求及瓶颈区域的车辆排队,提出反馈式可变限速控制方法,并针对换道控制的作用及可变限速控制要素分别进行阐述。所提出的可变限速和换道协同控制是一种两阶段控制,即优先启用换道控制,当瓶颈区域的占有率超过路段车辆占有率的阈值或协同控制区域的交通流量超过合流区主线通行能力时,再启用可变限速控制,将复杂的协同控制转化为两个独立的交通控制,从而简化求解。介绍仿真路段的设置及高速公路主线和匝道的交通需求,标定交通流模型及控制算法中的参数。将所提出协同控制的控制效果与无控制、可变限速控制的控制效果对比分析,从而明确协同控制的优势。仿真结果表明,所提出的协同控制策略可以有效改善高速公路合流区通行效率,并提高道路交通安全。