高速公路是经济发展的必然产物，对我国的产业结构及分布、城市结构和规模、中小城市的发展，以至在提高居民生活水平缩小城乡差别方面起着重要的作用。伴随国民经济的飞速增长，人们对于高速公路运输的交通需求不断增加，许多高速公路出现了拥堵及运营效率低下的问题。高速公路要适应及满足这种快速增长的运输需求可以通过大范围的新建高速公路或对旧路改扩建升级这两种途径来实现。从交通与经济发展的相关性来看，新建高速公路虽然能够解决交通运输需求问题，但是在给一个区域带来经济发展的同时也会带来很多负面效应，例如环境恶化、占用大量土地资源等。相比较而言，对已建高速公路进行改扩建具有占地少、污染小等优点。因此为了满足大量的运输需求，现在多数地区都十分青睐于对旧有高速公路进行改扩建。我国的现有的高速公路改扩建方案基本都是立足于拓宽路幅宽度，没有从系统的角度审视个别路段的改扩建对于高速公路路网通行能力的整体影响，并且改扩建方案众多，各有利弊，如何选择一个投资最小且获益最大的方案已成为亟待研究的重大课题。本文从综合考虑节约建设成本及解决通行能力的角度出发，对高速公路改扩建方案选择问题做了如下几方面的工作：1.概括了我国高速公路的发展历程，分析了高速公路在发展过程中出现的问题及未来发展的趋势。综述了国内外在高速公路改扩建领域的研究现状。2.研究并总结了传统四阶段法的交通需求预测原理及相关模型。3.介绍了高速公路路段趋势交通量、诱增交通量、转移交通量的预测方法及模型，阐述了利用OD反推技术获取现状年OD交通量的原理与方法。4.研究了几种常见改扩建方式及这些方式的优、缺点，并建立改扩建单位里程建设费用估算模型，从降低建设成本与解决通行能力的角度出发，提出了高速公路改扩建最优方案选择模型，并给出了模拟退火算法求解该模型时具体的操作。5.将研究理论运用于实例分析之中，经过交通量预测、通行能力分析、求解方案选择模型等几个环节，得出实例中最优的改扩建方案，加以验证高速公路改扩建方案选择模型的有效性。