铁路规划是铁路科学建设与发展的首要环节和根本前提,而铁路网布局优化又是落实铁路科学规划的重要内容和手段。随着铁路大规模建设的展开,作为单位能耗小、污染少的铁路运输,正面临着发展的黄金机遇期。如何科学地规划铁路发展和有效的控制建设成本,是摆在我们面前亟待解决且关乎铁路行业发展乃至整个民生的重要课题。铁路网总规模界定是铁路通道布局方案优选的基础,它对铁路通道的布局优化具有控制和引导作用。本论文主要从铁路网规模测算和铁路通道布局优化两个层面对与之相关的理论和方法进行了深入研究,其主要研究工作和创新点包括:1.在铁路网规模总量测算方面,提出了基于旅客周转量换算系数的运输负荷法、基于相似地区分块类比的路网密度比较法以及基于工业发展与铁路建设间联动耦合关系的工业化进程比较法三种测算方法,通过实例分析得出了比较一致的测算结果。在可预见的铁路客运专线和货运专线建设的背景下,细致分析了各自在未来可达到的规模总量,通过扣除法和运输负荷法尝试性地预测了客货混线的规模,研究了不同旅客换算系数下的路网规模总量需求,并进一步探讨了其中的货运能力分担率及其当量里程。2.在铁路货运通道布局优化方法方面,首次从宏观层面提出并阐述了运用四阶段法来设计铁路货运通道布局的原理和方法。所提出的基于离散运输网络设计的铁路通道布局优化思想在一定程度上能很好取代以往以定性分析为主而忽视网络效应的铁路单项目规划法。3.在铁路货运通道网络设计理论方面,比较完整地论述了铁路货运通道的概念、形态及其特点,提出了在不同铁路通道建设项目选择下,其通过能力是呈现离散性变化的。考虑到既有一体化铁路网络设计模型难以实际求解的不足,论文提出了基于离散通道投资决策变量的双层铁路货运通道网络设计模型(BR NDP),在上层规划中,把规划通道的吸引流量和既有路网弧段流量变化有机地融和在目标函数中,并把投资额度、运输需求满足程度和不同布局样式下的运营成本等因素一并体现在上层规划模型中。在下层规划方面,分别研究了一般的弧-路配流和点-弧配流模型,在此基础上,考虑到铁路车流不同于道路车流的特点,又分别研究了车流不可拆散下的配流模型和更为严格树形车流径路配流模型。综合两类配流方法的优缺点,既要保持OD的不拆散,又要保证大规模路网配流计算可实现,故文中提出了基于阻尼系数法的广义最短路配流算法。4.在多阶段铁路货运通道布局优化模型方面,考虑铁路五年一规划的滚动规划机制,分析了铁路投资建设在建设成本和运营成本上的规模经济效应,通过一组通道项目状态选择变量将多阶段项目投资费用和建设规模进行了有机结合,构建了兼顾客运专线建设的多阶段铁路货运通道网布局优化模型。该模型经实例证明具有较好的实际应用价值。5.以西部路网为背景,以兰渝通道、太中通道和哈临通道为重点决策项目,详细计算并分析了可能的通道方案组合,在案例的计算中还考虑诱发运量的处理方法,验证了模型和算法的有效性。