大力发展城市轨道交通已经成为解决日益严重的城市交通问题的主要手段之一,各地的轨道交通项目如雨后春笋纷纷立项建设。随着城市轨道交通网络的持续建设,网络规模的日益增大,网络结构和线路运营也愈发复杂。传统图论已经难以满足对城市轨道交通的进一步抽象与分析,而近年来复杂网络理论的应用,又为轨道交通网络的理论研究带来了新的思路。本文以复杂网络理论为基础,研究城市轨道交通网络的拓扑结构特征。通过构建基于L空间改进的S空间模型,分析不同主体的轨道交通网络整体拓扑特征以及单主体各个发展时期的拓扑特征,研究轨道交通网络拓扑结构的发展演化规律。同时结合轨道交通乘客刷卡数据,分析网络发展演化中的客流特征及分布规律。并对以关键节点为主的网络承载有效性进行了相应分析。期望为轨道交通网络的规划、建设及运营及相关理论研究提供借鉴与参考。论文按照静态网络——动态网络——混合网络的顺序进行逐级研究。这三个阶段的网络分别对应了轨道交通网络的规划建设阶段、独立系统的运营管理阶段,以及与城市综合交通系统的衔接阶段。首先研究基础网络的拓扑结构,明晰网络系统构成及演化机理。再加载动态运营的列车及动态客流,将静态网络升级为动态网络,使模型更加贴合实际运行的轨道系统。最后通过关键节点及地面公交系统的衔接网络的相关分析,研究如何使轨道交通子系统更好的融入城市交通系统。为建立统一规范适用全文的分析平台,论文建立了基于L空间改进的S空间模型,并结合S、P空间建立了拓扑分析模型。常见的轨道交通网络结构分析多采用了p空间模型和L空间模型进行分析。本研究分析了这两种空间模型的优缺点,通过改进L空间模型建立了S空间模型。能够更好的反映轨道交通网络中多条线路连续共站的情况,从而使度值的物理意义更加明确；路径选择上增加了换乘次数最小的约束条件,更好的模拟乘客的实际路径选择。与P空间模型相配合,可以补充P空间模型信息缺陷,搭建更适合研究的拓扑分析模型。针对静态网络,研究中建立了基于聚类分析的拓扑结构发展演化模型,并建立了判别函数。选取了世界范围内的56个典型城市的轨道交通网络,包括低至2条线路的小型网络和高达21条线路的巨型网络,基本涵盖了目前城市轨道交通网络的各种形式。将其抽象为56个样本的拓扑分析模型,提取样本的站点数、线路数、换乘站数、网络直径、平均路径长度、平均聚类系数等指标,将所有轨道交通网络聚类分为两大形态三大类别,对应轨道交通网络化进程的各个阶段。并将各特征指标作为判别变量,建立了判别函数,可以对任一轨道交通网络的演化规模及发展阶段做出有效评估。明确了静态网络的发展演化特征后,本文建立了车流网分析模型,并建立了车流网时间费用函数以分析网络的动态特性。将轨道交通拓扑网络进一步抽象,加入时间维度,将运营中的轨道交通网络抽象为由站点和列车组成的车流网模型。脱离静态网络的范畴,进行动态分析。结合轨道交通运营时刻表及乘客进出站刷卡数据,建立车流网时间费用函数,并标定参数。可以实现将乘客分配到每一列轨道列车的车到车的分配。为轨道交通网络客流分配提供了新的思路与方法。最后分析了轨道交通网络化进程中关键节点生长与退化的网络有效性。针对同一城市轨道交通的历史网络及规划网络的关键节点,分析其生长过程中的重要性变化。通过关键节点逐条加载轨道交通网络,分析其网络效益。并在关键节点功能退化后的联合网络中分析网络的承载有效性。也是对轨道交通网络小世界特性的验证。综上所述,通过研究轨道交通网络发展演化的复杂性,可以为轨道交通的建设及运营提供理论依据,使其能够在轨道交通规划建设之初甚至之前,就能科学有效的把握其未来发展脉络,并在建成通车后精细化管理,为乘客提供最安全便利的服务。