城市公交系统具有系统的系统特征,公交系统通常由车辆系统、线路系统、站点系统、乘客系统、调度系统等多系统组成,系统在运行的过程中受到内外环境的相互影响。内部环境受到不同方向、线路、车辆、乘客之间的相互影响,外部环境受到社会车流、信号灯等因素的影响。在现有车路协同不完善的情况下,对于公交车外部环境的控制与优化难度较大,因此,对于公交系统内部的优化调整是较为切实可行的优化方向。区域公交系统优化是对区域内多条公交线路同时优化,需要考虑客流需求、线路设计、时刻表设计、司乘人员安排、车辆调度等方面的问题,经典研究通常将公交系统运行管理当作数学优化问题,而数学模型往往难以描述区域公交系统之间复杂的交互关系,因此沿袭固有研究视角在此类经典问题上取得新突破存在较大挑战。为解决该问题,本文从识别公交拥堵方向的角度,提出基于公交MFD的路网分区算法;借助随机MFD理论,建立区域公交仿真程序,模拟公交运行;通过双层规划理论,提出多线路公交时刻表优化算法。具体研究内容如下:首先,提出初始子区划分、子区合并、边界调整“三步走”的路网分区算法,该算法以各区域之间公交通道上的速度方差之和为目标,能够有效减低通道上公交MFD离散性并识别拥堵,并以深圳和珠海的实际路网和公交数据验证了分区算法的效果;其次,借助随机MFD理论和Python语言设计了区域级公交仿真系统,该系统模拟了站场车辆发车、站间车辆运行、站点车辆停靠、乘客行为选择、乘客换乘等实际公交系统运行中所需的要素,并能够统计公交系统的运行性能指标,据此可对公交线路调度方案和满足出行需求的程度进行评价。最后,基于双层规划理论实现对多线路公交时刻表的优化,其中上层模型以乘客等待时间最小和线路运行稳定性最高为优化目标,通过NSGA-Ⅱ多目标遗传算法求解各线路的Pareto最优解集,下层模型以区域整体出行时间为优化目标,通过模拟退火算法求解各线路发车方案的最优组合,实验结果证明,该模型可以在保证线路运行稳定性的前提下,降低区域公交乘客的整体出行时间。