随着我国城市化进程的推进，交通需求急剧增长，交通拥堵日益严重，这给城市交通带来巨大的压力。城市轨道交通因其运量大、速度快、安全、准时、环保、节约用地等优点，逐步成为城市交通体系的骨干。然而，在运营里程不断增长、线路规模不断扩大、客流需求激增的背后，城市轨道交通运营能耗过大的问题也随之浮现。因此，如何降低系统能耗以实现城市轨道交通节能运营已成为当前重要的研究课题。
　　由于城市轨道交通站间距离短，列车运行过程中频繁的制动将会产生可观的再生能量，该部分再生能量可反馈至接触网供其他牵引列车即时利用。同时，未被即时利用的再生能量可通过储能装置吸收存储再利用。因此，高效、充分地利用再生能量是降低城市轨道交通系统能耗的重要途径。基于此，本文在考虑置地式超级电容储能装置的基础上，从提升再生能量利用率的角度出发，通过优化城市轨道交通列车运行图来达到降低系统总能耗的目的。具体地，本文的主要研究内容包括以下四个方面：
　　(1)分析再生能量的产生、传递、利用、存储机理。列车制动时可将自身动能转换为电能并反馈至接触网供其他牵引列车即时利用。通过引入储能装置吸收存储未被即时利用的再生能量，并通过储能装置释放能量可实现再生能量的延时利用。鉴于此，本文详细介绍了再生能量的产生、传递、利用、存储机理，同时考虑到储能装置能量存储的时效性及存储容量的有限性，提出了一种衰减函数来计算储能装置在一定时间内通过衰减过程耗散的能量。该部分研究内容作为全文的研究基础，为后文列车节能运行图优化提供了理论依据。
　　(2)基于储能装置的列车节能运行图研究。考虑到城市轨道交通列车制动时产生的再生能量存在未被即时利用的情况，本文基于储能装置，进一步考虑再生能量的延时利用过程，同时通过调整列车发车间隔及停站时间来协同优化列车间的耦合关系，构建以最小化系统总能耗为目标的多列车协同优化模型。之后，设计基于模拟的禁忌搜索算法对构建的优化模型进行求解。以北京地铁亦庄线为背景的数值实验表明，通过优化列车运行图，再生能量的利用率可进一步提高5.2%。
　　(3)基于随机延误场景的列车鲁棒节能运行图研究。考虑到城市轨道交通日常运营中，高峰期会因乘客间歇性拥挤等原因产生延误，且延误易传播到后续列车，进而形成列车运行连带延误现象。同时，延误传播将导致列车间耦合关系的变化，进一步影响再生能量的利用。鉴于此，本文旨在构建列车鲁棒节能运行图以应对高峰期大客流拥挤造成的列车延误问题。首先，将列车延误时间看作随机变量，并假定初始延误多产生于高峰期繁忙车站，基于此生成一系列随机延误场景。其次，制定列车进站出站调整策略，并通过加载随机延误场景，得到调整后的运行图。之后，以列车发车间隔和站间速度曲线等级选择为决策变量，以最小化运行图调整前后的偏差和系统总能耗为目标构建多列车协同优化模型。最后，设计基于模拟的变邻域搜索算法对模型进行求解。数值实验结果表明，通过优化列车发车间隔、选择合适的站间速度曲线，可有效地减少列车延误传播，降低系统能耗，从而增加列车运行图的鲁棒性，提高运行图的节能性。
　　(4)基于动态客流需求的列车节能运行图研究。城市轨道交通列车在运行过程中，高峰期采用较小的发车间隔，平峰期采用较大的发车间隔。然而，高峰期末期向平峰期早期过渡期间客流需求呈平稳波动下降趋势。因此，高峰期末期采用较小的发车间隔会浪费运能，平峰期早期采用较大的发车间隔会增加乘客等待时间。鉴于此，本文以过渡期为研究对象，旨在通过优化现有运行图实现客流需求与运能的最佳匹配。具体地，以列车发车间隔、服务频次及站间速度曲线选择为决策变量，构建以最小化乘客总等待时间、总运行能耗和总运营成本为目标函数的数学优化模型，并设计基于模拟的遗传算法进行求解。数值实验结果表明，在满足动态客流需求的基础上，通过优化现有运行图可有效降低系统能耗和运营成本。