生命线系统包括供水系统，供电网络，交通设施等系统，对保障现代社会发展和大众生命安全有着重要的作用。但是在发挥作用的同时，生命线系统面临着两个重大的问题。一方面，近年来各种自然灾害和恐怖突发事件频发，严重影响着生命线系统的安全。另一方面，生命线系统的成本随着现代社会的发展也达到了一个前所未有的高度。因此，基于网络脆弱性和网络成本的生命线系统优化设计研究具有重要意义。首先详细的分析了基于复杂网络理论的级联效应传播方式和成本计算模型。提出了一种新型的基于堵塞效应和过时修复的级联效应模型，更加真实的模拟了在生命线系统中发生的级联效应事故。采用了基于最短路径的成本公式来计算系统的建造成本。设计了启发式算法来对初始的随机网络进行仿真演化，得到了针对两种指标的最优复杂网络拓扑结构。其次，基于复杂网络的模体结构，本文分析了演化过程中的四节点模体相对密度的演化。在分析中观察到，四节点模体的相对密度在网络的两个指标达到最优的时候也达到了一个稳定的状态，各模体都有稳定的相对密度。结果为设计或改进现有的生命线系统提供了理论指导。为了验证提出的模型和算法的有效性，使用美国电网的数据与最优网络进行的对比，得到了高度相似的相对密度。提出了一个节点和模体之间关系的分析手段，结果表明，这个分析方法可以为复杂网络微观结构的分析提供一个新的角度和工具。