作为铁路运营组织过程中最重要的环节,列车运行图是协调铁路不同部门、不同工种进行运输生产活动的基础,同时也是连接铁路运营者与出行者的桥梁。列车运行图优化问题受多种因素制约,一直以来是交通运输领域公认的难题。为了降低列车运行图优化问题的求解难度,常常对列车附加一些人为的、并且相对狭窄的约束。这种强加的约束限制了铁路能力的有效利用,同时对于拥挤的铁路线路难以找到满意的优化方案。此外,列车运行图问题常常被独立优化,即仅对列车的到发时刻决策,而不考虑其他运营规划过程与列车运行图的互相影响。本文基于系统优化的思想,提出柔性列车运行图优化架构,构建集成多种因素的一体化数学模型,期望生成系统最优且满足各类实际需求的铁路运营组织方案。主要研究内容如下:（1）基于优化求解器的精确求解方法。考虑列车越行、列车发车时间范围、安全间隔等实际约束,引入列车发车顺序0-1变量,构建列车运行图的一般混合整数规划模型。在分析模型复杂度的基础上,利用通用优化求解器对列车运行图优化问题精确求解。实验表明,这种优化方法仅适合中小规模优化问题,对于大规模问题,需设计更加有效的求解方法。（2）基于拉格朗日松弛方法的列车运行图优化。针对现有的列车运行图优化结构,通过构建时空网络描述列车的时空转移。将列车运行图的各种约束转换为时空弧段的制约关系,将优化目标转化为列车的弧段费用,将安全间隔约束描述为列车占用网络弧段的不相容关系。利用拉格朗日松弛将原问题分解为关于单列车的最短路径子问题。算例表明,现有的优化结构限制了列车的路径选择,需要设计更加实际和灵活的运行图优化框架。（3）基于ADMM方法的柔性列车运行图优化。针对柔性列车运行图优化问题,利用时空网络将列车运行图优化问题描述为网络优化问题,将列车的安全间隔、越行以及均匀性约束刻画为列车占用弧段的不相容关系。利用交替方向乘子法对模型进行松弛、增广、线性化、分解,提出了一种优先权迭代策略对列车子问题交替迭代求解。通过实例验证了模型的正确性和算法的有效性,并比较了交替方向乘子法与拉格朗日松弛方法的求解效率。（4）考虑到发线运用的柔性列车运行图优化。在柔性列车运行图框架下,综合考虑了车站到发线运用的影响。构建了时空扩展网络描述列车的时空转换及到发线占用。利用不相容弧约束描述列车对时空资源以及车站资源的占用耦合关系。利用交替方向乘子法对原问题进行分解,并提出了一种更加可靠的可行化启发式算法。通过算例验证了所提出方法的有效性。（5）考虑动车组运用的柔性列车运行图优化。在柔性列车运行图优化架构下,综合考虑了动车组运用的影响。以列车运行区段为状态维,构建时空状态网络描述动车组的时空路径和状态选择。为提高求解效率,提出了网络弧段和节点压缩技术缩减网络,并设计了专门的带有限制条件的最短路径算法。利用交替方向乘子法对模型松弛、增广和分解,通过算例验证了所提方法的有效性。