近年来，轨道交通作为绿色高效的运输方式得到迅速发展，但同时也受到轨道线路运能、能源等资源限制，面临着列车运行效能等问题的严峻挑战。因此，如何利用现有基础设施资源，提高轨道交通系统的运行效率，降低其能耗是新形势下中国轨道交通系统亟待解决的问题。对此，本论文从轨道列车流特性、列车股道安排策略、节能运行操作等角度对轨道交通运行效率及节能问题进行研究，采用仿真与优化相结合的方法，分析轨道线路列车运行效率的主要影响因素，提出高效、节能的列车运行计划安排策略，为轨道交通管理部门制定运营计划提供理论依据。
　　论文的主要工作包括:
　　(1)考虑前车速度影响的轨道列车流仿真建模与特性分析。考虑现实轨道交通运行中前车速度影响效应，提出了一种新的相邻两车之间最小追踪间隔计算公式，并基于元胞自动机仿真模型，建立了城市轨道列车运行追踪仿真模型。选取含有3站（起始站、终点站站台数不限，中间站站台数为1），2区间的轨道线路进行数值仿真，重点分析了列车长度、行车密度、不同停站时间以及前车速度等因素对城市轨道列车流的影响。结果表明，列车长度、行车密度和停站时间对轨道线路上列车运行有较大影响。较长列车从拥挤流到自由流转变时的最小发车时间间隔值较大，当不同长度的列车混行时，通过判断前车的列车长度，合理设置发车间隔，可有效减小列车延误;当发车间隔越小时，线路上行车密度增大，列车之间相互干扰增大，进而导致列车延误越大;在一定发车间隔条件下，当列车在中间车站停站时间增加时，由于后续列车需在站外等候前行列车离站后方可进站停靠，进而可导致列车延误增加。此外，考虑前车速度影响的列车追踪运行方式，可有效缩短最小发车间隔，提高线路通行能力，有利于缓解客流过多给轨道交通带来的压力。
　　(2)考虑快慢车混行的轨道列车流仿真建模与特性分析。在分析快慢车混行特点的基础上，同时考虑前车速度影响效应，基于离散时间仿真模型，建立了高速铁路快慢车混行的列车流仿真模型，并设计相应的高效算法。模型中提出了四种列车运行控制策略，包括离站策略、前行策略、刹车策略、越行策略，以实现快慢列车间的前行、刹车及越行等行为。利用仿真模型，选取不同轨道线路为研究对象，重点分析了发车间隔、车站不同停站时间、快慢车比例及区间长度等因素对高速铁路列车流的影响。结果表明，减少列车在车站停站时间可提高轨道线路通行能力和列车平均运行速度;相同快慢车比例条件下，减小列车发车间隔可以提高轨道线路通行能力，但会对慢车造成更多延误;增加线路区间的长度和快车比例可以提高线路上列车平均运行速度。
　　(3)列车路径分配与列车运行时刻表一体优化编制方法研究。在分析股道安排策略的基础上，基于离散事件理论，建立了考虑股道转换策略的列车路径分配与列车运行时刻表一体化编制的线性整数规划模型。模型在股道安排策略方面充分考虑了轨道线路车站布局，以避免列车转换股道可能造成的相互碰撞。利用模型，着重对比分析了股道不转换策略、仅在车站可转换股道策略和在区间、车站均可转换股道策略对列车运行计划的影响。结果表明，列车可在车站、区间转换股道策略明显优于其他两种策略，因其充分利用区间对向空闲股道运行，提高了线路列车运行效率，减少了列车延误。此外，从三种不同的股道策略安排中发现，线路区间通过能力是影响列车运行效率的主要因素。
　　(4)考虑能耗与时间均衡的列车运行计划优化编制方法研究。首先构建了列车运行能耗和运行时间最小的双目标非线性规划模型，并对此NP难问题进行分步求解:首先，构建了离散空间-时间-速度三维网络，并基于网络流平衡理论将问题重构为0-1整数规划模型，将宏观运行图和微观列车运行控制有机结合起来统一优化;接着，考虑列车进入、离开区间速度以及区间运行时间，提出了基于区间的列车运行轨迹优化方法;然后，设计了一种高效的迭代求解算法求解模型。算法中，基于列车区间运行轨迹，提出了相邻两车最小动态间隔计算方法以及3种冲突消除策略，保证列车运行计划的可行性;最后，以京沪高铁线路为例，验证了模型正确性与算法的有效性。结果表明，列车进入、离开区间的速度和区间运行时间对列车运行能耗有较大影响，在相同的列车进入、离开区间的速度条件下，较小的运行时间会造成列车运行能耗大幅度增大;当线路上发车间隔较大时，列车之间运行互不干扰，但线路通行能力降低;安排停站次数少的列车优先出发，有利于减少列车的延误，但同时还应综合考虑乘客出行需求。此外，通过合理设置目标函数中两个目标值的价值系数，可在列车运行时间与能耗两个相悖目标间取得平衡。