随着城市化进程的快速推进,出行需求与机动车保有量迅猛增长,由此诱发的交通拥挤与空气污染已发展成为制约国内大中城市可持续发展的瓶颈。为缓解交通拥挤、改善人居环境、提升城市综合竞争力,各城市都在积极寻找治理交通问题的方法。近年来,大力发展以地铁为主的公共交通体系与交通需求管理已成为国内外治理城市交通问题的共识。交通拥挤收费作为交通需求管理的一种有效手段,在微观上可以改变出行路线、出行时间与交通方式,宏观上可以调整城市交通结构、提高其综合运行效能。因此,本文综合运用数学建模与数值模拟方法,研究了兼顾效率与环境条件下的多模式交通拥挤收费问题,以期为科学制定城市道路收费与地铁规划提供参考。论文的主要研究内容如下：(1)根据出行者对于多模式交通网络的感知差异,构建了考虑行程时间、舒适度、货币成本以及换乘成本在内的多模式交通感知费用表达式；再运用双层规划并结合Logit-SUE模型,建立了考虑排放的双模式与三模式城市交通拥挤收费模型,其中,双模式交通拥挤收费模型以国内中小城市为背景,含有小汽车与地面公交两种交通模式；三模式交通拥挤收费模型以国内大中城市为背景,兼含小汽车、地面公交与地铁三种交通模式；(2)由于双层规划问题是一个NP难题,因此,本文提出了一种融合连续平均法与新型遗传操作的改进型遗传算法来求解,改进算法可增强遗传算法解的稳定性并充分考虑了本文收费模型的特点；(3)基于所提出的改进型遗传算法,分别对双模式与三模式示例路网进行数值模拟试验,探讨分析了实施拥挤收费与开通地铁对城市交通网络运行状况与各项指标参数的影响。试验结果表明：1)实施拥挤收费总能有效调节城市交通出行结构、降低小汽车出行比例,进而减少网络总排放、改善城市环境质量；2)当出行需求处于中低等水平时,缓解拥挤与降低排放两者难以兼顾,此时因小汽车出行更为经济,实施收费与在大城市开通地铁均无益于缓解交通拥挤；3)当出行需求处于中高等水平时,因小汽车出行优势不再明显,实施收费或在大城市开通地铁可以提高公共交通出行比例,并能有效缓解拥堵、降低排放。