近年来,随着电子不停车收费（ETC）技术广泛普及和公路联网收费技术水平整体提升,我国于2020年初取消了高速公路主线上的省界收费站,在缓解交通拥堵方面成效显著。但主线上的起终点收费站仍需保留,未来可能成为新的拥堵痛点。由于收费站的布局形式设计直接影响了道路的通过能力和服务水平,本文从收费站布设方式的角度研究能够顺应高速公路发展变化的收费站设计理论,为收费站的整体布局提供参考。研究内容包括:（1）收费站的布设方式理论和交通流特性理论。阐明了收费站的基本类型和基础设施的构成与功能、定量总结了线形布局设计指标并提出车道数量的配置方法;总结了收费车辆类型、分析了MTC、ETC车道的服务时间特性并提出通行能力的计算方法,结合交通流理论设计了服务水平等级表。（2）建立考虑收费站形式的车辆延误模型。在微观仿真的背景下,定量设计了影响车辆延误时间的多项参数,参数间的正交设计构成多样化的仿真场景,得到144种收费站入口场景和468种出口场景,借助VISSIM仿真后导出车辆的平均延误时间数据。通过符号回归方法分别建立收费站入口和出口的车辆延误模型。（3）构建收费站布局模型。通过分析经营者和旅客的利益关系,从经济成本的角度研究收费站布局形式与建设、运营和延误成本的关系。分析三类成本的影响因素,确定与收费站布局形式相关的参数和计算方法。以三类成本之和最小为目标函数,在车道数、交通需求及服务水平的约束下构建了收费站布局模型。（4）提出收费站车道动态开启方法。根据车流的动态需求变化,研究收费站在运转状态下的资源利用与消耗情况,综合车辆排队特性和车道开启数量给出了能耗、运营和延误成本函数。在收费站布局确定前提下,以三类成本之和最小为目标,分析交通需求动态变化,提出了收费站车道动态开启方法。（5）以既有收费站为研究对象进行案例研究。基于对地理特征、布设方式和交通分布特点的剖析,利用收费站布局模型得出车道配置方案及整体收费站布局的线形指标。基于该方案求解出全日车道的动态开启方案,结果表明模型计算结果较既有车道的开启模式更符合全日交通的变化规律。本文共计图24幅,表30个,参考文献61篇。