随着社会和经济的快速发展，我国的高速公路建设发展速度越来越快，已经逐渐形成方便、快捷的高速公路网络。高速公路网络的形成加快了各地区之间的交流，促进了各区域之间的经济发展，但随着车流量的不断上涨，高速公路的发展和运营也面临着诸多困难和挑战，高速公路的运营管理维护成本和环境治理成本不断上涨，道路上的交通流分布不均衡，局部地区的拥堵现象越来越严重，不能充分发挥整个路网的资源效益。因此，针对目前高速公路收费定价过程中基于限期还贷的收费制度的局限性，如何确定科学有效的高速公路收费费率显得尤为重要，这既能有效弥补高速公路的运营管理维护成本和环境治理成本，又能通过费率的调整来引导人们的出行，合理分配交通流，充分发挥整个路网的资源效益。本文主要的研究内容和结论如下：
　　本文对目前我国高速公路收费费率制定的影响因素、制定原则、制定方法进行了分析总结，在价格、供给、需求的交通运输经济学和交通行为学的理论框架下，构建了基于双层规划的高速公路收费费率优化模型。上层模型结合可持续发展理念和绿色发展理念，将高速公路养护成本、环境治理成本等费用计入运营成本中，构建了高速公路收费效益最大化的收益函数；下层模型对道路使用者的出行行为进行分析，充分考虑道路使用者的利益，将道路使用者的广义费用函数转化为道路阻抗，构建了出行者出行阻抗最小的随机配流函数，采用分时段差异化的收费费率来改变出行者的出行费用，通过出行费用的改变来影响道路出行者的路径选择问题，合理分配了交通流，并根据模型特点采用了遗传算法对模型进行求解。
　　为进一步验证本文提出的基于双层规划的高速公路收费费率优化模型的合理性和有效性，本文以湖南省H高速公路为研究对象，进行实证分析。本文首先结合高速公路的历史数据从道路饱和度、平均行驶速度、交通密度三个指标对H高速公路的交通流特性进行分析，结果表明该高速公路适合采用本文提出的高速公路收费费率优化模型。然后标定了高速公路收费费率优化模型的相关参数，对模型进行求解。研究结果表明：（1）相较于以往的高速公路收费费率，本文提出的高速公路收费费率优化模型，可以有效的弥补高速公路运营管理过程中的运营管理维护成本和环境治理成本，提升高速公路的盈利收入。（2）本文构建的高速公路收费费率优化模型可以调节交通流量在路网上的合理分配，充分利用了路网资源，提高了高速公路的服务水平，减少了高速公路拥堵，提升了高速公路的通行效率。