不正常航班恢复问题是航空公司和航空运筹学界面临的经典难题。不正常航班打乱了航空公司的原定航班计划，扰动了旅客的正常行程，增加了航空公司的运营成本，降低了航空运输系统的效率，影响了民航业的社会声誉。如何用最优化技术和方法，快速科学地制定航班恢复计划，对于降低航空公司损失，方便旅客出行，提升航空公司形象有着重要的意义。本文针对国内航空公司的航线网络、航班计划和机组排班的特点，对不正常航班的飞机计划恢复、机组任务恢复以及飞机和机组一体化恢复的理论、模型、算法进行了研究。首先，阐述了不正常航班恢复问题产生的背景、特点和造成的影响等，介绍了不正常航班恢复的两种研究方式：分阶段恢复和一体化恢复。然后，分别介绍了不正常航班恢复问题的两种建模方法：数学规划方法和混合集合规划方法；对混合集合规划方法的概念、思想和原理进行阐述，分析其求解规则的设计原则，简述其在民航优化领域的应用。其次，对飞机计划恢复问题进行了深入研究，利用混合集合规划方法建立逻辑模型，设计合理且高效的求解策略，对各种规模的实例进行测试，并与贪婪模拟退火算法进行比较和分析。再次，分析了机组任务恢复在约束和调整策略上的特点，在飞机计划恢复方案的基础上，建立了分阶段的机组任务恢复逻辑模型，设计相应求解策略，对多组数据进行了测试；最后，阐述了飞机和机组一体化恢复问题，建立了一体化恢复的混合集合规划模型，设计了一体化恢复的算法框架和求解策略，进行了算例分析，并通过多组实例分析，与分阶段恢复优化方案进行了对比测试，表明了一体化恢复的可行性和全局优化特性。