城市轨道交通是一种安全、高速且低碳的公共交通方式,由于运量大,单位乘客能耗在交通方式中处于较低水平。但是随着人口的增长与城市轨道交通的建设,城市轨道交通的总能耗不断提升,因此有必要对城市轨道交通的运行进行节能优化。由于列车在站间运行过程中牵引消耗的能量根据站间运行时间以及列车的运行情况决定,为了降低牵引能耗,一方面可以在列车运行图中为部分车次分配较长的站间运行时间,另一方面可以优化列车在给定运行时间下的运行情况。在实际运营中,列车的站间运行时分取决于列车自动监控系统（Automatic Train Supervision,ATS）中预存的列车运行等级,不同等级对应于不同的站间运行时分与运行曲线。列车自动驾驶（Automatic Train Operation,ATO）系统根据与各运行等级对应的预存列车运行曲线进行列车控制,保证列车运行时间与ATS系统所给定运行等级的运行时间相同。本文首先对ATO系统中预存的列车运行曲线进行节能优化,在此基础上提出一种基于随机运营场景的列车运行等级鲁棒优化方法,并研究基于运行等级选择和再生制动能利用的列车运行图与车底周转计划一体化编制,以实现列车节能运行的目标。本文主要研究工作如下:（1）基于速度距离网络的列车运行曲线优化。根据列车动力学模型建立列车运行曲线优化模型,通过离散化速度与距离,将该模型转换为离散的速度距离网络模型。通过拉格朗日松弛,将原问题转换为最短路径问题,并使用动态规划算法求解。基于列车运行曲线特性,使用网络重构方法降低求解精度对运算时间的需求。基于亦庄线数据测试了不同算法的效果,证明了拉格朗日松弛与网络重构方法的有效性。（2）基于随机运营场景的列车运行等级鲁棒优化。以最小化各场景能耗与停站时间扰动导致的延误为目标,建立了混合整数非线性规划模型以确定各列车运行等级的运行时间。通过引入辅助变量与约束,将混合整数非线性规划模型转换为混合整数线性规划模型,使用优化软件CPLEX实现了混合整数线性规划问题的求解。本文基于亦庄线客流数据生成停站时间扰动场景,同时考虑多个扰动场景进行鲁棒性优化,并通过列车运行调整仿真对比了优化后的运行等级组合与固定时间间隔的运行等级组合在相同停站时间扰动场景下的效果,结果表明优化后的运行等级组合能更有效地降低延误。（3）城市轨道交通列车运行图节能优化。通过开行方案考虑各时间段客流需求,对各车次分配合适的运行等级以实现节能效果,建立混合整数线性规划模型进行列车运行图与车底周转计划一体优化。考虑到列车运行图的规律性,本文提出两种模型扩展以保证平峰期车次选择相同的运行等级。通过亦庄线数据对比了不同模型与实际运行图的效果,结果表明平峰期自由选择运行等级的一体化运行图与车底周转计划优化模型在所有模型中取得了最优的目标函数值。本文在运行图节能优化模型的基础上建立考虑再生制动能利用量的优化模型,并提出分步方法进行求解,仿真结果表明考虑再生制动能的运行图模型较未考虑再生制动能的模型能有效提高再生制动能利用量,且当发车间隔缩短时,再生制动能利用量的提升幅度增大。本文共有图39幅,表16个,引用参考文献65篇。