列车运行图是轨道交通运输工作的生产计划,其编制质量的高低直接影响运输组织的效率和安全。与国有铁路列车运行图的编制相比,城市轨道交通运行图的编制具有其自身的复杂性。近年来,我国城市轨道交通网络大规模建设,上海、北京、广州等城市已逐步进入网络化运营阶段,在城市轨道交通网络建设过程中,部分线路的结构形式和客流特征也变得越来越复杂,列车运行交路从单一交路模式逐步发展为复杂交路模式,为运行图的编制工作带来了新的挑战。本文充分借鉴和参考以往的研究成果,综合运用轨道交通运输组织、最优化理论、系统工程等学科的相关理论,对城市轨道交通运行图编制相关问题进行了深入研究。本文的研究内容主要包括以下几个方面：(1)分析了城市轨道交通列车运行图的特征、要素、编制数据以及编制原则等相关基础理论,为运行图编制模型的构建奠下了基础；(2)对多目标优化方法、禁忌搜索算法以及大系统优化方法等优化理论和方法进行了归纳和总结,为运行图编制模型的求解奠下了基础；(3)行车计划是编制列车运行图的基础资料,是城市轨道交通运输组织的基础。大小交路模式列车开行方案规定各时间段内各交路上开行列车对数。以最小化乘客出行成本和企业运营成本为优化目标,以乘客需求、线路通过能力为约束,构建了关于大小交路模式行车计划优化编制的双目标混合整数非线性模型,采用理想点法将以上模型转化为单目标模型；大小交路模式下乘客出行成本的计算是构建模型的难点,从乘客在途时间成本和等待时间成本两方面,细致地分析了大小交路模式下乘客出行成本的计算方法；对折返站的选取、小交路区段客流比重作了灵敏度分析,得出了折返站对成本的影响趋势,以及小交路区段客流比重对列车开行对数、大小交路列车开行比例以及企业运营成本的影响趋势。(4)共线交路列车运行图编制的实质是处理各子交路上列车与车站、列车与区间、列车与列车、以及共线区段不同交路上列车与列车之间的关系。对共线交路相关概念进行定义,深入分析了共线交路模式下列车运行图编制的关键问题,主要包括行车间隔、折返模式、折返站间隔时间、车底运用方式以及车底出入库方式；以列车发车间隔的分时段均衡性为优化目标构建了列车始发布点方案编制模型,在此基础上,以车底接续总时间最小为下层目标,以列车始发时刻与列车始发布点方案的偏差最小为上层目标,构建了关于共线交路列车运行图编制的双层规划模型,实现了列车运行图与车底交路计划的一体化编制。针对问题的特点,设计了一种递阶优化的方法,对优化目标进行分解,逐层缩小搜索空间,降低求解规模,主要包括：①生成列车停站时间算法；②车底交路计划编制算法；③基于禁忌搜索算法确定列车运行顺序；④基于列车运行顺序编制列车运行图。(5)列车运行衔接协调是城市轨道交通网络化运输组织的重要内容。降低乘客换乘等待时间是轨道交通网络列车运行衔接协调的重要目标。分析了换乘等待时间的表示方法；针对城市轨道交通网络的大系统特性,借鉴大系统优化的递阶控制方法和分解协调优化方法,生成网络中的线路换乘衔接方案；以最小化乘客总换乘等待时间为目标,构建了“换乘衔接对-线路换乘衔接方案”的二级协调优化模型。