在市场经济日趋完善和经济全球化的背景下，我国提出了要建立创新型国家和节约型社会。伴随着资源枯竭型城市的资源枯竭、环境的恶化以及产业结构不适合经济的持续发展，使得徐州这类资源型城市发展滞后。资源型城市的经济发展比较特殊，不同于其他城市，依赖于以资源为主的相关产业。徐州作为资源枯竭型城市其产业结构亟需优化。本文利用定量方法对徐州市产业结构进行多角度的系统分析，构建了产业结构转型升级的双层递阶优化框架。对三次产业的劳动力结构、三次产业结构进行了纵向和横向比较，并引入三次产业结构的偏离-份额以及各产业的能源消耗结构对徐州资源枯竭型城市产业结构进行了全面的分析。得出徐州市第一产业基础薄弱、第二产业单一、第三产业发展严重滞后等问题，以及徐州市三次产业结构中第二产业占据主导地位、能源消耗高的行业主要集中于第二产业等特征。据此，将徐州市三次产业结构优化与工业结构优化结合起来，构建了资源枯竭型城市产业结构转型升级的双层递阶优化框架。本文基于灰色预测和多目标优化方法，建立了徐州资源枯竭型城市产业结构转型升级的双层递阶优化模型。在运用灰色预测线性规划模型对徐州三次产业结构进行优化研究得到了未来五年徐州市三次产业结构的发展趋势。在对徐州市的三次产业结构优化的基础上，把对徐州市三次产业结构优化的结果引入到工业结构优化中，是两者有效地结合起来。并且将经济效益、劳动力就业、能源消耗、环境保护等因素纳入线性规划性中在对三次产业优化的基础上尝试对徐州市的工业结构进行了具体的优化。选取了徐州市工业中具有代表性的18个行业，得出了重点发展行业、鼓励发展行业以及限制发展行业。最后，提出了徐州市产业结构优化的对策及其支撑体系。本文的研究结果能够为徐州市的三次产业结构优化以及工业结构优化工作提供理论与实践方面的支持。