高速公路网是支撑国民经济发展、服务百姓出行、保障国防安全的战略基础设施,截至2014年底,我国高速公路通车总里程接近11.2万公里,基本达到了规划的高速公路网规模,承担了全国公路30%以上的客货周转量。与此同时,百姓安全、便捷机动化出行体验、跨区域出行服务、极端恶劣气象频发等对大范围路网的管理与服务提出了更高的要求,从建设管理到面向路网运行监测、应急处置与服务的路网运行管理成为了必然选择。为实现路网运行管理的功能,发挥区域路网的综合运输潜力、改善跨区域大范围服务体验并提升突发状态的协同处置能力,路网运行管理部门需要:1)做好监测体系规划,可靠地估计和预测网络范围动态交通状态;2)做好路网管控体系设计,应急情况下,实现"远程疏导、近处分流、关键点段现场控制"的协同调度策略;3)综合利用车载和路侧信息服务设施,提供高效信息服务。由此可见,更好地适应区域路网管控、应急处置和公众服务的传感网的设计成为当前亟待解决的问题。与此同时,随着信息通信技术的发展,路网运行监测方面对断面交通流检测设备的依赖程度有所降低。随着全国高速公路联网不停车收费系统的建成,以专用短程通信技术(Dedicated Short Range Communication,DSRC)为代表的高速公路车路交互平台得到了快速发展;随着无人机技术的日趋成熟和低空领域的逐渐开放,以无人机为代表的移动传感技术在交通管理中取得了一定的应用。本论文研究的主要目的是以路网运行管理需求为切入点,融合新一代的交通运行监测技术,协同布设多源异构传感器,为路网协同管控、公众出行服务提供更可靠的信息。本论文以最优化理论和交通分配理论为基础,以路网管控和服务能力优化提升为目标,研究了基于均衡配流的关键路段辨识方法,提出了路网可观可控性的DSRC网最优化设计方法,构建了面向网络运行状态检测的无人机动态路线规划模型。主要研究成果包括:(1)开展多源异构传感装备的适用性分析。分析路网运行管理主要需求及监测要素,分析多源异构监测装备检测参数类型、数据质量、成本,及其对路网运行管理需求的适用性,为传感器的布局优化及多源异构传感网的协同设计奠定基础。(2)开展基于均衡配流的路网关键路段集辨识研究。综合考虑路网结构、交通需求、出行行为特征等多方面因素,针对多路段失效的联合效应,提出了基于K-短路径和用户均衡配流的公路网关键路段评估方法,构建了路段失效概率分布的关键路段集辨识模型;进一步针对路段抗毁性,以救援恢复成本为约束,构建了基于路段能力可恢复性的关键路段集辨识模型;并在不同网络上验证了模型的有效性和可行性。(3)开展面向路网可观可控性的DSRC网最优化设计方法研究。具有双向通信特征的DSRC路侧设备,可同步实现交通运行状态信息的获取和诱导信息的发布功能。本论文针对高速公路网络化监测与管控需求,提出了路网可观性、可控性框架模型;以建设成本为约束条件,构建了最小化路网旅行时间不确定性及最小化系统总旅行时间为目标的可观、可控性优化模型,实现路网范围内DSRC网络的优化布局;利用高速公路通道对模型进行了验证。(4)开展面向网络运行状态检测的无人机动态路线规划模型研究。针对突发事件快速监测以及日常巡查需求,考虑路网的物理拓扑结构以及事件的时空扩散性,本论文引入时空地理框架,以最小化无人机和固定传感器在时空网络上的事件延误检测成本为目标,以无人机飞行成本和固定传感器建设费用为约束,提出了融合固定传感器的无人机路线动态规划模型;针对固定交通流传感器已知和未知两种情况,分别构建了拉格朗日松弛算法,其中,固定交通流传感器已知情况下,将模型简化为经典的时变最小路径成本问题;利用不同级别的路网进行了模型和算法验证。