高速铁路在社会发展、经济增长中起着至关重要的作用。随着我国高速列车运行速度提高和路网密度的增加,铁路运输的能源消耗也占据了越来越大的比例,同时客运列车需要满足安全、准点、节能和舒适等多个目标要求,高速高密度的发展对于列车运行操纵方法的要求也在不断提高。目前对于高速列车运行过程的数学建模以及运行优化算法等方面均存在需要解决的问题,因此对运行过程复杂、运行环境多变的高速列车进行建模分析,研究不同条件下的高速列车多目标优化策略,具有重要的理论参考价值及现实意义。本文的主要研究工作如下:(1)深入研究了高速列车运行过程计算、列车操纵策略及各优化目标数学描述。建立多质点的高速列车动力学模型,详细分析了列车各运行工况下的受力计算方法,为操纵优化提供力学基础;总结了高速列车操纵策略及工况转换原则,在证明了操纵优化问题中最优解存在性的基础上,对列车优化操纵问题进行数学描述,并给出准点、节能、舒适各目标的评价函数。(2)在建立高速列车运行的多目标优化模型的基础上,研究了基于多种群遗传算法的单列高速列车运行操纵与优化。详述了多目标优化问题及其求解方法,结合多种群遗传算法具有收敛性好、搜索效率高的特点,设计了算法编码、初始化及遗传操作等详细求解流程,根据既有线路数据和高速列车牵引特性参数对不同运行环境下进行了仿真实验,并得到最优操纵序列和列车速度距离曲线。(3)针对高速铁路大运量、高密度的发展趋势,研究了移动闭塞系统高速列车追踪运行的多目标优化问题。根据移动闭塞系统原理对追踪运行的动态安全约束条件与高效性指标进行数学描述,建立了移动闭塞系统下高速列车追踪运行的多目标优化模型,设计了基于克隆选择算法的优化求解流程,通过CRH2型高速列车和京沪高铁实际线路数据进行仿真分析,根据优化前后各指标值对比分析,验证了本文多目标优化方法对于实现高速列车安全、高效、节能、准点和舒适运行的有效性。