客运专线开行方案是铁路运力资源配置及运用的集中体现,是连接运输需求和运力资源的桥梁,也是编制列车运行计划和日常运输生产指挥的重要支撑和依据,更是影响客运专线运输组织的关键。在运输需求日益呈现多样化与人性化的今天,科学合理地设计客车开行方案具有重要的现实意义。本文根据国内外客运专线运输组织、开行方案等领域的既有研究成果,深入研究了客车开行方案的优化设计问题,对问题进行了建模分析和求解算法设计,为客运专线开行方案的优化设计提供了理论基础。论文的主要工作如下:1、定性分析了客流量及客流结构、客车编组及定员、车站作业能力、车底数量等因素对客运专线开行方案设计的影响。并从满足旅客出行需求和提高铁路客运企业经济效益的角度出发,提出了设计开行方案应考虑的基本原则:(1)提高旅行速度原则、(2)方便旅客原则、(3)提高旅行舒适度原则、(4)经济合理性原则。2、为解决开行方案设计中的旅客对于出行乘车方案的选择问题,运用图论知识,提出了基于开行方案的客运换乘网络构造方法,定义了车站节点、列车停车节点、列车发车节点、上车弧段、乘车弧段、停车弧段、换乘弧段以及下车弧段等网络元素,描述了它们之间的关系,建立了与开行方案相对应的客运换乘网络,从而为研究铁路客流的分配问题提供了基础。3、从分析影响铁路旅客出行行为的因素入手,在充分考虑旅客出行过程中的票价、时间费用、舒适度费用等各种广义费用支出的基础上,构建了在客运换乘网络上基于弹性需求的铁路客流分配模型,并采用Frank-Wolfe算法求解。4、建立了弹性需求的客车开行方案双层规划优化模型用于客运专线开行方案的优化设计。模型的上层规划目标是实现铁路客运企业经济效益的最大化,下层规划目标是全体旅客出行广义费用的最小化。为解决模型非线性大规模的求解难点,采用遗传算法进行求解,并对解的编码、交叉操作、变异操作等遗传要素进行了详细设计。最后,以一条典型的客运专线线路为算例,验证了模型及算法的可行性和有效性。