在分析和总结现有城市道路交通网络设计研究成果的基础上，本论文设计了两个求解传统的城市道路交通网络设计模型的算法，分别研究了环境目标下连续网络设计与交叉口信号设置的组合问题，潮汐式交通流条件下可变车道的双向道路网络设计问题，以及两类拓广的城市道路交通网络设计问题，并运用双层规划方法建立了这些问题的优化模型，同时应用本论文设计的算法进行了数值实验。本论文研究工作主要有如下几个方面：(1)基于粒子群优化思想设计了求解传统的城市道路交通网络设计问题的算法，其中详细研究了连续网络设计问题，并用两个网络例子进行了数值实验；并给出了离散网络设计问题和混合网络设计问题的求解算法思路和主要步骤。(2)传统的道路交通离散网络设计双层规划模型的下层问题一般必须包含备选路段的能力限制约束，以避免交通分配模型在不修建的路段上分配交通流量。本论文对常用的路段阻抗函数进行处理，建立了下层为标准形式用户平衡配流问题的混合网络设计双层规划模型，然后利用最优值函数工具和连续化手段把该双层规划模型转化为等价的非线性规划问题。基于罚函数思想，设计了求解混合网络设计双层规划模型的局部收敛算法。(3)为避免城市交通网络改善过程中可能出现的尾气排放诡异现象，本论文提出了道路交通网络设计中避免尾气排放诡异现象的优化方法。然后本论文运用双层规划方法综合优化道路能力改善方案和交叉口信号配时方案，以最大程度地降低机动车尾气排放总量，降低城市交通污染。(4)为了合理利用有限的道路资源和缓解交通拥挤，建立了潮汐式交通流条件下可变车道的双向道路网络设计双层规划模型，其中处于上层的交管部门通过确定最优的双向道路的车道分配方案，以达到整个交通网络系统总阻抗最小的目的，而处于下层的交通用户遵循随机用户平衡交通分配准则选择出行路径。(5)从城市道路交通网络扩展的角度，提出了两类拓广的城市道路交通网络设计问题。第一类拓广研究新建交通节点的配套道路网络设计问题；第二类拓广考虑的仍是交通网络增加新节点新路段的情况，但是与第一类拓广不同，新增节点的数目与位置是待定的决策变量，而第二类拓广研究的就是确定最合理的节点选址方案以使建成后的道路交通网络某种系统性能指标最优。