随着国际贸易的进一步发展，航运业中的集装箱运输在世界经济中的地位也越来越重要，预计到2015年全球贸易的70%由集装箱运输服务来完成。集装箱运输服务链包含多个主体，如：货主、货代、承运人、租箱公司，还包括直销市场、港口、陆地车场、政府等参与者。首先，基于各个主体的独立性和利己性，他们各自为政，制定以自身利益最优为目标的集装箱运输服务决策。而此类分散式服务链所固有的双重边际性，以及信息不对称性，导致了服务链整体绩效的低下。其次，集装箱资源作为集装箱运输服务链中各主体运作协调的重要传递资源，在分散模式下也无法从服务链整体出发进行有效规划，最终造成集装箱资源和信息都无法共享，由此形成空箱率居高不下、运力资源浪费严重、利润率始终保持低位的严重后果。针对集装箱运输服务链所面临的困扰，本研究试图通过集装箱运输服务链上各个主体之间的有效协作，来保持服务链整体最优的空集装箱量，并实现集装箱运输服务链各个主体的最优协作绩效。本研究不仅通过博弈论、运筹学等方法进行数学建模，而且涉及到经济学、金融学等相关学科理论。本文的主要研究内容为：(1)承运人与上游租箱公司之间的纵向协作问题研究。本文引入了金融期权的相关理论，进行承运人与上游租箱公司的集装箱租赁期权契约设计。具体的决策过程分为两阶段：第一阶段，承运人根据预测信息，签订租箱契约并采购一定数量的看涨/看跌期权；第二阶段，基于集装箱需求信息的不断更新，承运人在其采购的期权范围内，执行期权。并扩展应用有约束的非线性规划方法推导分析了有上限或者下限约束的承运人最优租箱策略。(2)承运人与下游货代之间的纵向协作问题研究。异质合作能够实现承运人与货代之间的合理分工，因此研究了基于异质合作的集装箱能力动态协调问题；并通过加深条件，面向集装箱运输系统中的三个参与者：承运人、货代、直销市场进行问题扩展研究。在引入下游直销市场以后，构建了集装箱运输系统的网络模型，并采用系统动力学仿真来分析。同时采用信息甄别原理设计了在直销市场参与下的承运人与货代之间的集装箱能力协调机制。(3)多承运人之间的横向协作问题研究。运用进化博弈理论，研究多个集装箱承运人之间的横向协作问题，建立主体之间基于集装箱资源共享的横向联盟进化模型。研究中引进了进化博弈的渐变思路，对联盟之间的协作进行有效的监督和管控，从而保证空集装箱资源的共享机制长期稳定有效。本研究将集装箱承运人的利润最大化为基本出发点，以集装箱数量为基本决策变量，对集装箱运输服务链中主体间的协作进行数学建模和优化求解，实现了集装箱运输服务链上各个主体之间的有效协作，并使用数值分析的方式证明了各种协调方式的高效性。