服务网络设计用于解决货物运输系统的战术规划问题,广泛应用于交通、物流、生产等领域,涉及到包括大量的车辆、人员等的庞大物流运输网络。由于物流企业的运输网络不断完善,覆盖全国更多的地区,优化物流网络以降低运输服务运营成本变得尤为重要。中国的电商业正处于快速发展之中,消费者的行为受商家促销、节假日等因素的影响导致需求的波动非常大,为快递和零担货物运输服务网络的规划与设计带来了很大的挑战。本论文首先研究考虑多车型的大规模服务网络设计问题,帮助企业决策每个运输服务上使用的各种车型数量,提出相应的数学模型,并设计高效的算法进行求解。结合列生成和割平面算法提供较好的下界,采用局部搜索算法来寻找高质量的可行解。数值实验验证了本文设计的算法的有效性,案例分析证明了考虑多车型能够帮助企业降低物流成本,从而体现了本研究的现实意义所在。为了减小货物运输过程中的风险,尤其是针对危险品货物的运输,同时方便配送和顾客收货,针对服务网络设计问题考虑单路径约束并提出基于环-路径的数学模型。设计了精确算法以提供较好的下界,并采用固定变量法来缩小问题规模,使得问题更容易求解以高效地寻找高质量的可行解,通过数值实验对算法的有效性进行评估。针对考虑不确定需求的服务网络设计问题,采用多面体不确定集来描述需求的不确定性,提出了两阶段鲁棒优化模型。在算法设计上,实现了列与约束生成算法来求解鲁棒优化模型,该算法能够在每次迭代中提供模型的上下界。数值实验表明了列与约束生成算法在求解时间和解质量上都有很好的表现,并分析了鲁棒优化方法的解在结构上的特点,模型比较结果也体现了鲁棒解的优越性。最后为了设计集成服务网络以提高系统中车辆等资源的利用率,针对考虑多种服务类型的服务网络进行优化设计,提出了确定性和两阶段鲁棒优化模型。实现了列与约束生成算法来求解所提出的鲁棒模型,分析了考虑多种服务类型对运输系统的影响,数值实验表明运输系统中服务类型的多样化有助于降低总成本和网络中使用的车辆数。