近年来,绿色交通受到社会普遍的关注,共享单车凭借着便捷、经济的特点得到快速发展,并且成为城市公共交通的重要一部分。但是,相关的共享单车企业缺乏科学合理的运营方案,导致故障共享单车回收效率低下,共享单车系统运营成本高昂。大量的故障共享单车得不到及时回收,既影响企业的运营服务水平也不利于共享单车系统的健康发展。此外,由于国内外学者关于故障共享单车的回收问题研究较少,相关的回收理论难以适用于解决故障共享单车的回收问题。因此,研究故障共享单车的回收问题是很有必要的。为提高故障共享单车回收效率,降低运营成本,本文首先在梳理和分析车辆路径问题相关研究和共享单车系统中各主要工作环节的基础上,针对不同情形分别建立开环多中心车辆路径优化模型和带有同时取送货的车辆路径优化模型以最小化运营成本。针对故障共享单车回收过程中开放的中转站点布局不合理和车辆路径选择依靠人工经验等现状,提出开环多中心车辆路径优化模型,以此开放合适的中转站点和优化车辆路径。针对调度过程中调度车辆里程利用率差、资源浪费、车辆路径选择依靠人工经验等现状,提出带有同时取送货的车辆路径优化模型,通过设置时间窗约束尽可能地降低故障共享单车的回收对整个调度过程的影响,从而进一步提高回收工作效率,降低运营成本。通过LINGO 10.0软件对小规模算例进行求解,验证本文模型的准确性。最后,针对所构建的模型较为复杂、实际问题节点规模较大的情况,本文设计蚁群算法来求解实际案例。该算法在基本蚁群算法的基础上引入多个变邻域搜索算法扰动算子。算法对两种模型的小规模算例和实际中63个节点、28个节点的案例分别进行求解,分析对比优化前和优化后的结果。结果显示本文所构建的模型可以较好地降低共享单车系统运营成本、提高故障共享单车回收效率。此外本文还分析对比所设计算法的性能,案例结果证明该算法在求解速度、求解质量和求解稳定性方面性能良好。