近年来,快速增长的空域资源需求与增速缓慢的航路网络导致空域资源供需间的差距扩大,造成日益严重的空中交通拥挤和航班延误。航路网络增长的资源性困难,使得航路网络结构优化成为一种提升空域使用效率和容量,缓解航班拥挤和延误的有效方法和重要的研究问题。本文针对航路网络关键结构航路交叉点,从航路基本相交结构入手,系统研究了航路交叉角度、交叉航段长度等结构要素对空中交通流影响的内部机理,揭示了交通流运行参量与航路结构要素间的相互演变关系。在此基础上,从数理统计的角度,分析了航班飞行时间和航班油耗与航路基本相交结构的关系,基于交叉航路交通量的非线性分布特征,建立了带偏好的航路交叉点结构优化模型,并设计了相关的求解算法,最后通过仿真验证了模型的有效性。根据航路网络基本结构要素的研究,基于改进的人工势场模型,建立了一种多航路点结构及位置布局优化模型,并提出了航路网络系统性优化框架,实现对不同空域构型(交叉航段数量、有无空域限制等)的优化。最后,设计仿真实验验证了所提模型和框架的普适性及在解决实际航路网络优化问题中的有效性。本文的研究有助于从空域资源供给侧提升空中交通运行的质量,通过调整权重系数,可以有效协调不同空域用户对航班飞行时间和油耗的需求;提出的航路网络结构优化框架,在空域结构适用性、基于交通流量优化特性等方面的表现突出,且对其他方式的交通路网建模与优化同样具有启发意义。