随着经济发展和社会进步,城市交通需求不断增加,城市机动车数量呈现爆发式增长,城市交通需求增长与能力供给的矛盾日益突出,带来了严重的交通拥堵、能源消耗、环境污染和噪声污染等问题。面对这些问题,大城市纷纷采取措施限制机动车增长,大力发展城市公共交通已被公认是解决城市交通难题的一种有效方法。城市公共交通是一个十分复杂的系统,公交网络是系统运营的基础,然而既有公交网络结构设计不尽合理,造成了运营效率低、乘客出行距离长、换乘次数多等问题,严重影响了乘客使用公共交通出行的积极性。因此,对既有公交网络的问题进行深入分析,研究城市公交网络的拓扑结构特点和设计方法有利于公交网络结构优化,进而提高公交系统的运营效率,增加公交系统的竞争力。本文以公交网络为研究对象,从公交网络结构评估分析、换乘因素和网络设计三方面展开研究,旨在系统的分析公交网络结构特征,构建公交网络设计可行方案,为公交网络优化设计提供理论支撑,具体的研究内容如下：首先,以城市公交网络拓扑结构为基础,利用图论和复杂网络理论构建评估因子,分析公交网络结构特性。以保定市、济南市、石家庄市、苏州市和北京市5个城市的公交网络为例,分析了国内公交网络结构的复杂特性,结果表明公交网络度分布符合漂移幂律分布,是一种正相关的网络,具有明显的社团结构。其次,研究了公交网络的换乘问题。介绍了三种公交网络站点间换乘次数的计算方法,并提出一种基于P空间构建的公交网络换乘次数计算模型,深入分析了公交网络的换乘特性。通过增加线路的方式减少网络换乘次数,发现在度较小节点之间增加线路能有效减少网络换乘次数。考虑换乘因素,建立了随机客流分配模型,得到换乘距离对公交乘客在网络上客流分布的影响；利用灰色关联度法建立了公交网络换乘站点评价系统,评价指标主要包括乘客换乘设施、换乘便捷性和换乘舒适性,实例表明所构建模型能有效的对公交站点进行评估,可为公交站点换乘优化提供参考。最后,研究了公交网络设计问题。采用系统分析法分析了公交网络设计过程中费用的组成,以及不同线路布局对费用产生的影响,比较了单条线路布局和多条线路布局的差异。以乘客总出行时间和网络总换乘次数最少为优化目标建立了公交网络设计模型,提出了基于蜂群算法的求解方法。利用贪婪算法产生初始线路集合,然后采用一种新型蜂群算法对初始解集进行改进。使用瑞士Mand1网络与Mumford网络对模型进行验证,结果表明该模型能产生更优的解,算法效率较好,适用于大规模公交网络设计问题,并以保定市公交网络为例进行案例分析,结合线路在网络换乘中的作用和线路非直线系数构造线路评估因子,对保定市公交网络进行了优化设计,取得了满意的结果。