在对油田地面管网的结构特点、层次关系、网络变化特征等因素进行深入分析研究的基础上，运用图论等相关知识对地面管网中常见的MS网络、MRS网络和MST网络进行了严格的数学定义。在此基础上，以管线总长度极小为目标建立了这三种网络多目标规划设计的数学模型。采用计算复杂性理论对模型的计算难度进行了分析。根据模型的结构特点以及实际的规划设计过程，采取分层次优化策略，将模型求解分解为拓扑布局优化和参数优化两个子问题，两者之间通过迭代进行协调。研究了油田地面管网拓扑布局优化问题。针对前面所建立的MS网络、MRS网络和MST网络，以管线总长度极小为目标研究建立了相应的拓扑布局优化设计数学模型。根据模型的结构特点，提出采用分级优化法进行求解。针对该方法的不足，将分级优化法、遗传算法和模拟退火算法有机地结合起来，形成了一种混合遗传模拟退火算法的求解策略。实例计算表明，该算法与分级优化法相比，在优化性能和初值鲁棒性等方面均有不同程度地提高。