收费站是提升高速公路系统通行效率的关键位置。电子不停车收费(Electronic Toll Collection,ETC)是提升收费站通行能力的有效措施,经过长时间的发展,ETC用户比例在不断增加,2019年出台的多项政策进一步加快了ETC全面普及的进程。ETC用户的快速增加使得ETC车道异常事件的不利影响逐渐凸显,因此本文旨在量化异常事件对收费站通行效率的影响,进而合理优化车道配置,降低社会效益的损失。本文根据收费站设计及运营管理规范,总结了收费站设施组成及ETC车道设置类型。根据实地调研结果,分析了成都绕城高速大件收费站的交通量及交通组成特征,确定采用M/G/1排队论和VISSIM仿真软件作为收费站分析方法和工具。详细分析了收费站车辆的到达特性、车道选择特性、收费服务时间特性及速度分布特性,并建立了收费站ETC车道、MTC车道和混合车道的通行能力计算模型,为分析异常事件的延误影响提供了基础。本文首先建立了无异常事件下收费站车辆的平均延误模型。然后分析了不同情况下异常事件对收费站的影响过程,确定了异常事件对ETC车道通行能力的折减系数,建立了异常事件引起的车辆排队延误模型。采用分析得到的收费站交通特性数据,建立了VISSIM仿真模型,分别验证了无异常事件下和异常事件下宏观延误模型的准确性和适用性。使用异常事件下建立的车辆宏观延误模型,以收费站车道运营成本和出行者延误成本加权之和最小为目标,建立了带约束的非线性整数规划模型。针对不同时间段交通流量的变化,得到了分时段的最优车道配置方案。实例分析表明,优化配置方案下车辆平均延误降低了34.8%,目标成本降低了31.2%。考虑到未来ETC比例和交通量会进一步增长,分别分析了ETC使用率和交通量变化对最佳方案的影响,确定了某一最佳车道配置方案适用的交通条件范围,为收费站运营提供了长期策略。