针对国内首次采取通行费收益补偿方式取消高速公路收费的需求，提出了一种基于实测交通量确定通行费收益补偿额度的方法。根据高速公路开放式和封闭式收费系统原理，提出了虚拟开放式和虚拟封闭式交通量检测方案，阐述了交通量检测站点数量随主线分流节点数量的变化趋势，最终采取了虚拟开放式交通量检测方案。同时，基于交通平衡及概率分布理论，利用交通分配方法构建了OD 交通量计算模型，进而根据高速公路取消收费后交通环境变化因素提出补偿因子，形成补偿OD 矩阵计算模型，并应用于胶州湾高速公路海泊河至双埠段取消收费后通行费收益补偿额度的计算。应用结果表明：高速公路取消收费后交通环境因素发生变化时，虚拟开放式交通量检测方案及补偿OD 矩阵计算模型对于计算通行费收益补偿额度具有较强的适应性；从计算结果及历史收费数据对比情况看，应用效果符合经济发展趋势，误差较小，满足实际需求。