收费道路网的费率优化、收费道路网的设计与收费系统的优化(道路收费系统的优化)是目前高速公路(收费道路)发展亟待解决而研究又几乎处于空白的重大理论与应用问题。本文的目标是力求用定量方法与系统方法来优化道路收费系统，优化目的是如何使道路网能够发挥最大的社会效益，又能满足收费道路经营者的财务目标(还贷或实现规定的投资收益率)，如何使因为收费和缴费的原因而造成的各项额外成本最小。本文的内容主要集中在将道路网、政府、收费道路投资者或经营者、道路网使用者纳入一个大的系统中，应用双层规划模型、交通均衡模型、随机选择模型、多目标决策和智能优化算法等方法系统地研究道路收费系统的优化理论与方法。 本文充分考虑了收费道路的特点，提出了有收费道路情况下的多车型多准则的固定需求、弹性需求、随机模式的用户和系统最优四种交通均衡模型，证明了这些模型与Wardrop均衡条件之间的等价性，讨论了模型解的唯一性问题，给出了模型的求解算法；提出了路网下收费道路多车型费率优化与高速公路平衡网络设计问题的双层规划模型，并提出了利用遗传—模拟退火混合优化策略求解双层规划模型的新算法。该模型全面描述了路网管理者、收费道路经营者和道路使用者在收费道路费率的确定与高速公路平衡网络设计问题上的地位、目标、决策作用和不同类道路使用者选择路径行为的差异，综合遵循了效率原则、成本原则、效益原则、公平原则和用路者路径选择行为准则等多个基本原则。利用该模型可同时求解出不同收费路段不同车型的收费费率大小和最佳收费道路位置与其容量。算例表明，本文提出的模型与算法的合理与有效性，测算得出的收费费率更公平，更能合理地调节路网交通流分配，使路网利用程度得到进一步提高，可全面帮助政府和投资者进行收费道路项目投资决策。 本文充分考虑了驾驶员缴费技术选择与缴费车道选择的特性，提出了驾驶员缴费方式随机选择模型；在考虑了收费系统的投资成本、营运成本、不公平成本、漏收成本、驾驶员的额外成本和环境污染成本等因素的基础上，提出了多收费方式收费系统的优化模型，提出采用模拟退火遗传算法(SAGA)进行收费系统寻优的算法，可同时优化出一个收费系统的收费站位置与数量、不同收费站不同收费方式的收费车道数和ETC用户的折扣率等参数，可估算不同收费站TAG(电子标签)的安装率、不同收费车道实际使用量，可模拟不同决策情境下的最佳系统资源配置方案。同时，本文提出的方法可供收费道路经营者制定对ETC用户的行销策略。