近年来，随着我国高速公路里程不断增长，早期建造的高速公路逐步进入路面大中修、改扩建时期，越来越多的养护作业区将会在公路上出现。但设置施工作业区不仅会降低道路的通畅水平，还容易引发交通事故，而我国现阶段在作业区交通标志设计、安全控制措施以及工作区长度等方面大多处于半理论半经验状态，缺乏系统性研究。本文在2012年河南省交通投资集团科技研究项目—《大交通量高速公路施工作业区三维可视化交通组织方案评价及优化研究》的资助下，针对现阶段的不足，以实测数据为基础，借助交通仿真等技术手段对交通组织方案若干问题进行合理评估和优化，对于优化高速公路养护作业区的交通组织方案和提高安全保障水平具有重要意义。首先，从交通事故统计数据入手，分析作业区交通事故特点及成因，结合作业区路段交通实际情况，研究驾驶员特性、交通流特性、作业区道路特性、交通环境特性等方面的内容，为高速公路作业区的交通控制与管理提供科学依据。其次，针对目前作业区交通标志由于研究滞后而存在的问题，以驾驶员的视认特性为出发点构建车辆行驶模型，分析交通标志对人、车、路的内在作用机理，通过数学逻辑推导研究作业区交通标志的设置位置、图形类和文字类标志的尺寸设计问题，并对标志牌标准化生产进行初步探讨。再次，为减少车辆大幅降速带来的不安全性，本文依托实际工程，采用VISSIM对高速公路施工作业区进行仿真模拟，并分别以车速标准差与变异系数、延误时间两个指标对行车安全与通畅水平进行评价，对比分析分级限速方案、限速位置方案等策略的实施效果。同时对影响路网交通分流安全的因素进行分析，对分流方案的设计进行探讨。最后，为改善公路养护施工区的交通运行状况，提高施工效率，本文将以交通流的时变特性为研究基础，考虑施工间歇、夜间施工等多种因素建立养护总费用函数模型（包括用于施工本身的费用和道路使用者费用），提出基于总费用整体最优的优化思路与方法。通过设置一定的约束条件，使其更符合生产实际，最终通过Matlab编程实现从多种施工方案中优选出作业区的最佳开工时间和最优工作区长度。本论文研究成果有助于改善作业区交通条件、提高道路通行能力、减少交通事故，将为我国高速公路作业区交通组织方案和安全保障措施提供新方法、新思路，具有较强的理论价值和现实意义。