随着经济的高速增长和城市化进程的加快,城市居民的汽车保有量也在逐年提高,而这些导致的交通拥堵问题也亟需得到解决。公共交通系统作为城市交通中不可或缺的一部分,在调节城市内部居民的出行需求和出行供给矛盾方面发挥巨大的效用,同时采用公共交通出行也可以缓解城市道路的拥堵和减少碳排放量。轨道交通和常规公交作为公共交通系统最为重要的两种出行方式,两者之间的协同发展可以提高城市整体交通网络的运营效率,但由于交通基础设施在建设的过程中,不可避免的会出现轨道交通和常规公交由于各自的服务范围重叠、换乘时衔接不畅、站点间距或者发车频率不合理等一系列问题,由此造成公共交通资源的浪费从而影响运输效率。考虑到实际环境下,乘客的出行需求具有很强的随机性和不确定性,路网状况也是极不规则,因此本文则需要构建一个具有规律性的路网结构便于模型的构建及求解,文章基于理想方格型路网对城市轨道交通与常规公交进行耦合优化设计,并且根据站点类型的差异考虑到了乘客的多种路径选择,构建双层混合整数优化模型,以此求解地铁与常规公交各自的发车时距、常规公交的线间距及站间距。上层模型是以系统总成本最小为目标的连续近似模型,以寻求乘客与运营商二者之间的平衡关系,并对各项成本进行了详细的推导,采用序列二次规划算法,并用凸算法对该非凸问题进行包络。下层为考虑依概率分配的路径分配问题,并对各路径流量加权分配,考虑到问题的解析形式具有非凸性,故采用启发式方法进行求解。为了验证模型的可行性,文章以深圳市福田区和南京市建邺区两处实际地铁—公交线网为例进行案例分析,并给出了不同平均出行距离和客流密度下的最优网络设计参数,结果表明随着乘客平均出行距离的增加,可通过提高常规公交发车频率,减小常规公交站点间距,适当增大常规公交线间距等优化方法降低乘客的出行时间,从而提升公交竞争力。同时发现随着运输距离的增加,优化后的轨道交通发车频率在整体上有着先减小后增大再减小的波动趋势,在拥堵情况下优化后轨道交通的发车频率要高于非拥堵情况下。该优化方法节省系统总成本的幅度随客流密度的增加而增大,系统总成本的节省比例随出行距离的增加最终呈现增大的趋势,时间成本的节省比例在整体上也是高于系统总成本的节省比例。本研究可以为我国城市地铁—公交路网设计提供理论支持,对加快实现轨道交通与常规公交网络融合的城市公共交通系统有着重要意义。