在交通运输规划与管理中,交通网络设计是一个不可或缺的重要环节。这是因为交通网络设计对交通系统其他阶段的规划和管理产生重要影响,其合理性和可靠性是保证整个交通系统正常运转的前提条件。更为重要的是,道路网络与城市其他子系统之间存在着相互促进又彼此制约的复杂关系。传统的交通规划理论和网络设计方法侧重于对出行者机动性的度量,例如,移动速度和出行时间。然而,机动性的改善会导致出行需求的增加和交通拥堵的发生。在此情境下,以最小化系统出行时间作为目标的方法,并不适合基于可达性的交通网络规划过程,也无法考虑社会公平性。众所周知,交通网络设计和组织管理工作的主要目标是提高交通网络服务水平和出行可达性。因此,以最大化网络可达性作为目标的方法,在一定程度上扩展了交通规划和网络设计问题的策略范围。本文基于系统优化思想,以交通网络设计方法为主线,以可达性作为交通网络的综合评价指标,针对确定需求下离散交通网络设计、随机需求下离散交通网络设计、考虑活动时空属性的离散交通网络设计等问题展开理论研究,并将相应的研究成果应用于城市道路交通管理和轨道交通组织优化中。具体研究内容包括以下几个方面:(1)流量可达性测度和时空可达性测度。交通流量的持续增加必然导致出行者期望出行时间和交通拥堵之间的矛盾。在此背景下,本文提出了流量可达性测度,它以物理网络为基础,以流量依赖的出行时间预算为约束,体现了实际交通流量与潜在交通需求之间的平衡。鉴于出行活动具有一定的时空属性,时空可达性测度以时空网络为基础,以与起讫点和出发时刻相关的出行时间预算为约束,反映了活动点对之间在交通网络中的实时可达性。虽然这两种可达性指标的侧重点和使用环境不同,但它们均可体现主观可达性与客观可达性的矛盾统一,均可度量一定社会发展条件下交通需求与供给之间的耦合关系。(2)确定和随机需求下的离散交通网络设计。在确定性需求下,本文以最大化流量可达性测度为目标,将离散交通网络设计问题构建为非线性混合整数双层规划模型,其中,上层制定网络设计方案,下层为时间预算下的用户均衡流量分配模型。在随机需求下,本文以最大化流量可达性测度的期望为目标,将鲁棒离散交通网络设计问题构建为两阶段随机规划模型,其中,第一阶段生成网络设计方案,第二阶段通过设置多种场景处理随机需求,并使用时间预算下的用户均衡模型对实现的需求进行流量分配。为了求解这两个模型,在对问题特征进行分析的基础上设计了基于概率搜索和隐枚举法的启发式算法。以Sioux Falls网络和San Diego高速公路网络为例,设计了数值实验,并对某些参数进行了灵敏度分析。实验结果表明,所提出的方法适用于不同规模的交通网络,所得到的网络设计方案能够显著提高整个网络的可达性水平。(3)考虑活动时空属性的鲁棒离散交通网络设计。鉴于出行活动的时间依赖性和场景依赖性对离散交通网络设计所产生的影响,本文以最大化时空可达性测度的期望为目标,将鲁棒离散交通网络设计问题构建为0-1线性规划模型。通过引入拉格朗日乘子,可松弛模型中物理边与时空弧之间的耦合约束,使模型得到有效分解,分解后的子模型分别是约束最短路问题和0-1背包问题。针对高维决策变量带来的求解困难,设计了高效的启发式算法。以Sioux Falls网络和San Diego高速公路网络为例,设计了数值实验,并讨论了时间预算、资金预算及场景发生的概率对网络设计方案的影响。实验结果表明,所提出的方法适用于不同规模的交通网络,所得到的鲁棒网络设计方案均能显著提高整个网络的时空可达性水平。(4)交通网络可逆车道优化设置。作为离散道路网络设计方法的应用,本文以最大化流量可达性测度为目标,构建了交通网络可逆车道设置问题的非线性混合整数双层规划模型,其中,上层制定交通网络可逆车道设置方案,下层为时间预算下的用户均衡流量分配模型。相较于基于流量可达性测度的离散交通网络设计模型,该模型中决策变量的取值范围扩大,增加了求解上的困难。为获得模型的近似解,设计了渐进式局部搜索算法,即先松弛整数约束,再使用局部搜索算法搜索整数解。以Sioux Falls网络和北京市主干道路网络为例,设计了数值实验。实验结果表明,所提出的方法适用于不同规模的交通网络,所得到的可逆车道设置方案能显著提高整个网络的可达性水平。(5)地铁网络末班车时刻表协同优化。从时空网络的角度研究地铁网络末班车衔接问题相当于研究时空网络设计问题。作为离散道路网络设计方法的应用,本文创造性地利用网络设计思想,以不同的可达性测度为指标,将地铁网络末班车时刻表协同优化问题构建为三个0-1线性规划模型。通过引入拉格朗日乘子,可松弛模型中人车之间的耦合约束,使模型得到有效分解,分解后的子模型分别是时空最短路问题和无圈的负权最短路问题。在此基础上,设计了高效的启发式算法。以一个小网络和北京地铁网络为例,设计了数值实验。实验结果表明,所提出的方法适用于大规模的地铁网络,所得到的时刻表协同优化方案能显著提高末班车时段地铁网络的可达性水平。论文包含图49幅,表21个,参考文献181篇。