近年来,随着我国高速公路里程跃居世界第一,以及机动车保有量的持续快速增长,高速公路收费站拥堵现象日趋频繁,我国以人工半自动收费(MTC)为主的混合收费方式难以解决目前的困局。电子不停车收费方式(ETC)的联网运行和快速发展,有效提升了高速公路收费站通行效率、减缓了收费站拥堵、减少了能源消耗、促进了区域经济的发展。但在部分车流量大的路段以及节假日出行、返程高峰等特殊时段,部分高速公路收费站行车缓慢甚至大面积拥堵等现象仍然不同程度存在。如何优化完善ETC车道设置和服务,依据进出高速车流量及缴费类型,动态确定进出收费站MTC及ETC车道数量,确保最大程度的畅通,是亟待研究的课题。基于以上背景,本文首先梳理了高速公路收费广场的分类及布设形式,突出收费站的功能及结构,介绍各类型收费车道的设施设备构成,突出介绍ETC车道的技术特点,分析不同规模收费站及不同类型收费车道的基本特征。然后,在不涉及高速公路管理的其他问题而只讨论收费系统的基础上,以京港澳高速公路郑州新区收费站为例,在满足给定的约束条件下,建立平均延误最小模型、系统各项成本加权和最小模型,以及成本和效益比最小模型,使得系统收费车道资源实现优化配置;在已知该收费站交通条件、道路条件、投资规模、服务水平要求和驾驶员缴费方式选择行为等情况下,定量计算出最佳收费方式优化配置方案,确定出不同收费方式车道组合情况,并根据京港澳高速公路郑州新区站的实际交通流量,运用模型分析出最佳车道类型布局方案。同时,通过灵敏性分析探究在影响一个方案效果的诸多不确定性因素中,测定其中对此方案效果发生显著影响的一个或几个因素。最后,基于收费站收费方式数值测算,提出建立完善ETC运营管理平台,为提高通行效率和综合收益提供了技术途径;同时针对收费拥堵低效的症结,提出ETC应用推广策略,坚持政府引导和市场化推进相结合,增加收费站ETC车道的同时,在广大车主中推广ETC智能通行卡使用比例;结合已建成收费站,提出了收费车道调整策略。本文研究成果对于提高收费站通行效率和综合效益,有积极指导意义。