高速铁路网大规模建设并投入运营，为设计面向需求、结构合理、服务多元的旅客列车服务提供了基础。旅客在选乘高铁列车时，对出发时间的偏好具有明显的差异性，具体表现为在一天的不同时段，客流分布呈现出明显的“波峰”与“波谷”。一个科学的列车运行图，可以合理的分配运输资源、响应旅客差异性需求、减少运输成本。列车运行图除了提供列车在停靠站的发到时刻外，还具有其它许多的附加属性，特别是票价属性和席别属性，它们将极大地影响旅客在列车上的分布，这些需求分布反过来又影响列车运行图的编制。
　　在一些高速铁路上的客流高峰时段出行，符合大部分旅客的出行习惯。但是，由于铁路能力是有限的，不可能完全满足全部旅客在“高峰时段”出发的需求；另外，由于高峰时段客流量较大，产生拥挤现象，旅客在排队购（取）票、候车、上车等环节均会消耗较多的额外费用。
　　本文针对上述旅客和铁路企业的利益博弈，拟运用双层规划理论，充分考虑旅客对列车出发时间偏好、以及列车的票价和席别属性，深入研究高速铁路列车运行图的优化问题。论文主要完成了下面工作：
　　（1）在对旅客出行需求、列车运行图以及双层规划等进行文献综述的基础上，分析了高速铁路列车运行图的特征、分类、要素以及优化原则。根据旅客出行行为特征，将旅客出行过程划分为出发前和上车后两个阶段，并对高铁旅客出行全过程的各个阶段设计了广义费用的计算方法。
　　（2）针对一条高速铁路走廊，构造了扩展时空网络（ETSN），并据此建立双层规划模型，以解决基于出发时间偏好的非均衡列车运行图优化问题。
　　（3）在采用灵活定价策略条件下，构造了时间-空间-票价三维网络（TSFN），建立了非均衡列车运行图问题的双层规划模型，模型考虑了旅客的出发时间偏好和列车的票价属性。
　　（4）在席别多样化条件下，构造了时间-空间-席别三维网络（TSSN），建立了双层规划模型，解决基于出发时间偏好和列车席别属性的非均衡列车运行图优化问题。
　　（5）综合分析了列车发车时刻、席别和票价3个因素对旅客出行选择的影响，构造了带有席别属性的时间-空间-票价3维网络（TSFS），建立了非均衡列车运行图优化问题的双层规划模型，模型考虑了出发时间偏好、列车票价和席别属性。
　　（6）针对上述各双层规划模型，设计了嵌套Frank-Wolfe方法的混合遗传算法，借助不同的交叉变异概率，提高了计算效率和解的精确度。
　　本文设计的多属性列车运行图，兼顾了降低铁路运营成本的“系统最优”和满足旅客多样化出行需求的“用户最优”，有助于揭示基于多用户博弈的旅客选择与列车服务的作用机理。