随着社会经济的快速发展和可持续发展概念的提出,我国铁路运输系统在建设运营方面在取得巨大成就的同时,也面临着其他交通方式的竞争和节能减排的多重压力。在整个铁路运输系统中,列车运行产生的能耗和排放占有较大的比重,对企业经营成本和外部环境质量有直接影响,因此有必要从节能减排角度对列车运行控制系统进行深入研究。本文在总结归纳列车运行能耗和排放特点及规律的基础上,从列车运行的操纵控制和组织管理两个层面建立了面向节能减排的各种优化模型并设计了相应的算法,希望相关研究有助于铁路运输企业节约能耗、降低成本以提高自身的市场竞争力,同时也有利于促进企业履行社会责任,落实可持续发展的理念。论文研究工作的贡献和创新主要体现在如下几个方面：1.基于列车运行工况序列的列车能耗模型,应用粒子群算法对模型进行了求解。模拟算例的结果表明,在迭代次数相同情况下,粒子群算法相比于传统的遗传算法在求解效率上更高,计算时间平均减少40%,且优化结果并不逊色,为其他列车运行节能模型的求解提供参考和借鉴。2.根据功率守恒的原理,在列车运行油耗模型的基础上,从最优控制角度提出了内燃机车牵引运行排放的操纵控制模型。利用Lagrange算法对三个模拟算例进行了求解和比较分析,结果表明列车运行过程中的牵引能耗最小并不一定意味着燃油和排放最小,在理论上指出了能耗和排放之间不完全等价的关系。3.利用不确定规划理论,提出了编组站调车场内内燃机车牵引运行减排效率控制的随机机会约束优化模型,并将随机模拟和智能算法相结合,设计了求解模型的双层混合智能算法。模拟算例结果表明,当主要污染物PM减排效率控制在36.6%、NOx控制在48.4%时,应用相应减排技术的内燃机车运行成本期望值最小。4.从机车与线路匹配角度,建立了铁路运输网络中货物列车运行控制的多目标动态优化模型并设计了基于扩展ε-constraint的求解算法。模拟算例表明所提出的模型和算法能够从总体上把握列车运行的能耗和排放总量,节能减排的效果可达14%左右。5.从机车与车辆匹配角度,提出了旅客列车节能减排运行调度管理中的多目标优化模型并设计了模糊多目标优化算法。模拟算例对不同情景下列车运行的节能效果进行了优化和比较分析,表明不同机车牵引的列车可能达到的节能效果为10%左右。6.利用时空网络模型,提出了基于列车时刻表的的城际列车节能运行控制的多目标优化模型和算法。通过模拟算例对模型进行求解比较,并利用目标函数加权法对多目标模型进行优化分析,结果表明合理调配车底有助于列车节能运行,节能效果为7%左右。