伴随城市化进程的不断深入,城乡一体化及城市群的形成和发展已经成为我国区域经济发展的重要趋势,我国传统的行政区经济正在向城市群经济转变。在城市群的发展演化过程中,人们的经济、文化和社会活动的空间范围不断扩大。各自为政的公交服务导致了不必要的换乘,增加了乘客的出行时间和出行费用。为了适应大城市及城市群的发展,满足人们的多种出行活动需求,建立方便快捷的跨区域公交服务体系显得十分必要。方便快捷的跨区域公交服务需要各区域公交系统之间的协调与整合。近年来,世界各地的公共交通从业者和研究者们越来越关注多个城市或地区间的公交系统优化整合问题。例如,我国佛山等地开通了多条跨区域整合公交线路,这些线路采用统一编号、联合运营、属地管理、各自结算的合作模式,极大地方便了人们的跨区域公交出行。本论文将根据我国城市公交系统的运营特点,建立优化模型定量研究跨区域公交系统优化整合过程中的运营者行为、管理者干预手段以及乘客对公交服务和公交整合模式的反应等一系列问题。主要的研究工作归纳如下:(1)考虑到我国传统地方公交系统的运营特点(存在公交区域壁垒)、现有的跨区域公交系统整合实践(打破区域壁垒)以及运营者的相互关系(竞争与合作),本文从公交运营者的角度分别建立优化模型描述四类整合模式:存在区域壁垒-竞争、存在区域壁垒-合作、打破区域壁垒-合作、打破区域壁垒-竞争,以优化跨区域公交系统的运营。在深入研究我国佛山市的跨区域整合公交线路的基础上,利用所提出的模型进行了数值研究并详细对比了各种模式下的消费者剩余、运营者利润以及社会福利情况。数值结果表明,为了尽可能的方便乘客的跨区域公交出行以及最大化社会福利,公交管理者应该制定措施打破行政壁垒,并促使运营者在联合运营的跨区域整合线路上相互竞争。(2)考虑到公共交通的公益性,基于第(1)部分的最优运营者模式(打破区域壁垒-竞争),研究公交管理者如何使用补贴来引导运营者的竞争行为以降低社会成本。乘客成本是社会成本的重要组成部分,为了更加准确地度量乘客成本,借鉴行人流仿真理论提出了一个拥挤函数以度量公交车内由拥挤带来的乘客不舒适感。具体地,在深入研究我国佛山市的跨区域整合公交线路的基础上,在两地之间需求固定的情况下,提出了一个变分不等式模型描述寡头竞争市场内公交运营者的竞争行为。同时,还提出了一个双层规划模型描述社会福利最大化市场条件下公交管理者如何使用公交补贴来引导运营者的竞争行为。数值研究对比分析了跨区域整合公交线路在寡头竞争和社会福利最大化市场条件下的表现。结果表明,跨区域整合公交系统应该充分利用市场竞争机制;公交补贴是管理跨区域整合公交系统的重要手段,应该得到公交管理部门的重视。(3)考虑到乘客对广义公交出行费用的反应,扩展第(2)部分的固定需求模型到弹性需求的情况,以进一步探讨我国佛山等地的跨区域公交系统整合实践。具体地,在弹性需求条件下,提出了一个最大化模型描述寡头竞争市场下运营者的竞争行为,并给出了该最大化问题的非线性互补问题。基于寡头竞争市场的非线性互补问题,提出了一个具有非线性互补约束的优化模型描述社会福利最大化市场下公交管理者如何使用公交补贴来引导运营者的竞争行为。此外,通过引入弹性需求函数,探讨了定价和补贴对跨区域整合公交系统的影响。数值分析进一步揭示了竞争机制和公交补贴对跨区域整合公交系统的影响,并指出公交管理者需要综合考虑运营者和公交乘客的利益需求,以及自身的财政状况和社会福利目标才能更有效地利用定价及补贴来管理跨区域整合公交市场。(4)在更加一般化的市场条件下,建立优化模型研究跨区域整合公交系统的最优补贴问题。首先,对前三部分的市场条件进行了如下扩展:1)考虑了小汽车出行与公交出行的模式竞争问题;2)公交运营者可以使用不同的车辆类型、提供不同的服务质量;3)公交运营者的决策变量为票价和频率;4)乘客根据他们感知的广义出行费用进行出行方式选择。接下来,建立了一个变分不等式模型描述寡头竞争市场下运营者相互竞争以最大化他们各自利润的行为;又提出一个最大化模型描述社会最优市场下运营者相互合作以实现社会福利最大化。最后,通过对比两类市场的均衡条件,确定了最优的公交补贴,使运营者按寡头竞争市场下最大化各自利润进行决策而实现社会最优的结果。数值分析验证了模型的有效性。结果表明,寡头竞争市场下的最优补贴能够降低公交票价,提高公交系统频率,同时引导运营者实现社会最优市场的结果。