降低列车运行能耗和提高乘客服务水平是保证城市轨道交通可持续发展的关键。本文以节能和提高服务水平为目标研究了城市轨道交通列车操纵和时刻表的优化问题。首先，通过优化列车在给定时刻表和线路条件下的区间运行操纵方案，降低单列车牵引能耗。随后在单列车节能操纵的基础上，考虑再生制动能的利用，优化列车时刻表使系统运行能耗最小。最后，在对时刻表进行节能优化的同时考虑乘客等待时间和乘客在车时间的变化，从能耗和服务水平两个角度对时刻表进行优化。
　　主要研究内容及结论如下:
　　(1)针对传统的单列车节能操纵方法(最大牵引-巡航-惰行-最大制动)在长大下坡区段可能长时间制动维持巡航的问题，本文对不同操纵工况间的转换机制进行了优化。以牵引能耗最小为优化目标建立了单列车节能操纵模型，针对该模型解空间较小且精度要求较高的特点，设计了一种基于BruteForce的精确求解算法。案例分析表明，在长大下坡道区间，本文操纵模型与既有研究相比有显著的节能效果。参数灵敏度分析发现，本文操纵模型在低限速、大下坡和较短运行时分的条件下节能效果尤为明显。
　　(2)系统运行能耗是列车消耗的牵引能减去利用的再生能，因此牵引能耗最低的运行策略并不能确保系统运行能耗最小。本文在优化列车操纵方案降低牵引能耗的基础上，通过调整时刻表提高再生能利用量，构建了以运行能耗最小为目标的列车操纵与时刻表协同优化模型。针对模型解空间大和非线性的特点，设计一种带邻域搜索策略的遗传模拟退火算法(NS-GAA)对模型进行求解。案例分析表明，采用协同优化模型尽管使牵引能耗小幅上升，但再生能的产生量和利用量大幅增加。与原始时刻表及使用“最大牵引”和“最大制动”的节能操纵模型相比，本文协同优化模型所得运行能耗可降低5％左右。
　　(3)仅从能耗角度对列车时刻表调整可能会影响乘客服务水平，增加其出行时间成本。针对该问题，本文同时考虑了乘客出行时分和地铁企业运营成本，建立了时刻表双目标优化模型并设计了NSGA-Ⅱ算法进行求解。模型考虑乘客在车站的乘降过程受列车载客能力和停站时分的影响，增加了乘客乘车的空间-时间双重约束，以保证优化模型所得方案的可行性。案例分析表明，站台所有乘客完成乘降过程所需时间可能大于计划停站时分。这种情况下宜适当延长计划停站时分，并通过压缩后续区间运行时分恢复计划时刻表。这是因为将乘客出行时间量化为货币后远大于企业运营成本，与降低运营成本相比应优先考虑减少乘客等待时间。此外，由帕累托最优曲线可得，在不增加原始时刻表对应运行能耗的前提下，双目标优化模型所得解仍可以降低乘客总出行时间3％以上。