近年来,随着我国城市化进程的不断加快,城市的面积逐渐扩大,城市轨道交通线路的长度也越来越长,导致线路上客流需求在时间与空间上分布的不均衡性愈发明显。面对不均衡的客流分布,传统的单一交路、单一编组的列车开行方案已经不能满足城市轨道交通运输企业的运营需求。因此,一些城市轨道交通线路开始采用多交路多编组的列车开行方案,以求更好地满足复杂的客流需求,降低企业的运营成本。基于此,如何科学合理地设计多交路多编组列车开行方案,成为一个具有理论意义与实践价值的研究问题。本文在回顾既有研究的基础上,对城市轨道交通多交路多编组列车开行方案优化问题进行了研究,主要内容如下:(1)总结了城市轨道交通列车开行方案的主要内涵,包括了列车交路方案、列车编组方案、列车停站方案以及列车开行对数。分析了不同列车交路方案、不同列车编组方案、不同列车停站方案的优缺点及适用情况,介绍了列车开行方案的计算方法,分析了多交路多编组列车开行方案的设计难点。从客流、行车条件及运力资源三个方面,系统地分析了城市轨道交通列车开行方案的影响因素,为建立城市交通多交路多编组列车开行方案优化模型提供理论基础。(2)以直线型城市轨道交通线路为研究对象,考虑交路对车站和区间的覆盖、区间断面客流、运营规则、折返站和区间能力、可用车底数量等约束,以运输企业成本最小化为目标,建立了列车开行方案设计子模型。随后,基于给定的城市轨道交通线路,提出了服务网络构建方法,以乘客等待时间成本与换乘成本最小化为目标,建立了基于最优策略的客流分配子模型来刻画乘客的出行选择行为。然后将两子模型加权、集成并线性化,得到了城市轨道交通多交路多编组列车开行方案优化模型,该模型为混合整数线性规划模型,能够同时优化线路的列车交路、列车编组和列车开行对数。最后基于模型特点,设计了一种适合大规模算例的且易于实现的局部搜索算法。该算法以运输企业最优解为起点,在预先确定的搜索范围内迭代求解两子模型,来搜索更优的列车开行方案。(3)以某城市轨道交通规划线路为例,测试了模型与算法的计算性能。结果表明,本文所提出的有效不等式与特殊线性化方法能够加快模型求解;局部搜索算法能够在短时间内得到高质量的解或最优解。然后以重庆轨道交通3号线为例,分析了优化列车开行方案的质量。结果表明,相较于现行方案,优化列车开行方案使运输企业成本降低了4.36%,使乘客出行成本降低了3.39%。最后进行了灵敏度分析,分析了权重系数、可用列车编组类型、线路最大交路数目与可用折返站数量对求解结果的影响。