近年来,随着我国铁路未来发展重心的改变,对既有线进行扩能改造的建设投资正逐渐增多。同时,我国铁路的客货运量也紧跟社会经济的发展正在急速增加,但是由于许多既有铁路的建设年代较早,其技术标准和运输能力已无法满足铁路发展的需求。因此,必须对既有铁路其进行扩能改造。既有线的主要技术标准较低,不可避免的要考虑到既有线纵断面的限制坡度过大等问题。而在既有线改建设计中限制坡度是一项十分重要的铁路主要技术标准,其取值是否合理,对于节约铁路建设投资、提高运输能力、降低运营风险,具有非常重要的研究意义。因此,本文在研究既有线扩能改造工程的限制坡度决策问题时,提出利用多目标决策理论来实施辅助决策,通过优化不同的数学模型,建立基于多目标决策理论的改建铁路限制坡度比选模型,并将该模型应用于工程实际案例中。首先,通过分析对我国的既有线进行扩能改造的必要性与重要性,总结此类工程的技术特征与设计步骤,归纳常用的输送能力加强方式与选用原则,提炼既有线改建设计的内涵与一般原则,并对主要技术标准的决策问题进行研究。然后,通过分析既有线改建设计中限制坡度取值的重要性,并对限制坡度的定义与设计原则进行研究,考虑从工程条件、工程经济、工程风险、路网协调性及运输组织五个方面归纳影响限制坡度决策的各个因素,再利用层次分析法建立基于既有线改建设计的限制坡度评价指标体系。其次,通过归纳常用指标权重确定方法的优劣,确定采用基于熵权法和权的最小平方法的主客观组合赋权法计算指标权重;通过分析对比多种多目标决策评价方法,选择在传统数学模型的基础上进行优化研究,构建基于灰色模糊综合评判与基于理想解法和灰色关联分析的两种改建铁路限制坡度决策模型。最后,采用基于改建铁路限制坡度多目标决策优化模型对既有海城至岫岩铁路进行实例计算。通过对比分析多个限制坡度线路方案,得到最终的推荐方案,不仅可以验证决策理论的适用性,提高线路设计方案决策的科学性,也为今后类似的决策问题提供一条合理可行的解决途径。