高速公路安全设施是保证高速公路安全运行的关键因素，现有的安全设施设计是在满足规范要求的前提下，对安全设施系统展开的设计。由于现有规范中对少部分安全设施没有明确规定，即使有也是依据实地条件来进行设定，因此不便于设计中具体设置参数的确定；且在设计中由于人为疏忽与技术限制，设计中难免会存在错误和不合理的内容。因此，为了保证安全设施在运营中发挥高效的作用，提高交通安全的主动性，有必要对高速公路安全设施设计优化理论和方法进行研究。论文首先结合高速公路交通事故特性，对安全设施设计优化需求进行分析，提出安全设施设计优化理念；以安全设施设计优化理念为指导，分别对道路条件、交通条件、沿线环境及服务设施条件下的高速公路安全设施设计优化范畴进行研究，为后续设计优化指明方向。其次，通过分析目前我国高速公路护栏设计中存在的问题，提出了护栏设计优化方向，并对护栏的设置位置、长度、过渡段和端部设计优化进行了研究；针对交通标志，总结了旧国标中存在问题以及新国标修订的主要内容，在满足最低标准又不拘泥于标准的基础上，提出一套高效、实用的高速公路标志优化检查方法及流程，重点研究了全线指路标志设计优化方法以及特殊路段交通标志设计优化方法，并从选材、减速标线的设置两方面提出标线设计优化方法；针对凹形竖曲线路段线形特性进行研究，并提出凹形竖线路段合理防眩高度计算方法，根据线形诱导标数量与曲线感知精度关系研究成果，总结了线形诱导标设计优化方法，并基于曲线曲率感知精度要求的设置原理，计算得到轮廓标和突起路标的合理布设间距。论文接着提出了安全设施核查的概念，分析了安全设施核查与道路安全审计的关系，并根据各类安全设施核查内容，结合各类安全设施设计优化理论与方法和相应的规范及标准，提出了一套系统的高速公路安全设施核查清单。最后，将高速公路安全设施设计优化理论与方法应用于京化高速公路部分安全设施设计。