近年来城市轨道交通领域蓬勃发展,造成了地铁系统的能源消耗快速增长,2020年数据显示,城市轨道交通系统总能耗达到了172.4亿千瓦时,同比增长了12.9%。因此,如何降低城市轨道交通能源消耗已成为国家和运营企业目前以及未来关注的重要问题。在城市轨道交通系统中,由于列车频繁的启动,其牵引能耗达到了总能耗的40～50%,而列车频繁制动产生的可利用再生能量达到了牵引系统总能耗的10%～55%,两种能量互相影响。因此,基于以上两点本文从能源的需求和供给方面展开协同研究,建立了列车操纵策略优化模型和基于再生制动能量的多列车协同节能模型,来降低列车牵引能耗、提高再生能量的利用率。论文主要研究内容如下:首先,从列车运行模型更符合实际线路的角度出发,考虑实际运行线路的坡度、曲线半径以及列车长度,建立了改进的列车多质点模型并进行了仿真验证。针对要研究的多目标问题,采用NSGA-II算法与粒子群算法相结合的方法来改进粒子群算法,以增加粒子的多样性,克服算法早熟现象,并使用三个标准测试函数进行了仿真验证,证明了改进算法的适应性。接着分析了“四阶段”运行工况,建立了列车运行操纵优化模型,并给出了“四阶段”控制策略下的列车牵引能耗计算方法。其次,从降低牵引能耗的角度出发,针对研究对象存在多变量问题,本文提出了非等分区间变量离散化的方法,并使用北京地铁亦庄线数据,对变量离散化的等分区间和非等分区间进行了仿真对比,结果表明非等分区间在降低列车牵引能耗以及算法计算时间都要优于等分区间。根据上述理论分析建立了以牵引能耗最小为目标的单车单站间和多站间节能优化模型,同时结合改进算法给出了模型的求解步骤,并使用亦庄线数据对单车站间运行过程进行了仿真分析。结果显示,单车单站间牵引能耗节能率最高达到19.78%、最低为4.93%,在兼顾列车运行服务水平的同时以单站间为基础优化得到的全线牵引能耗节能率最高为20.16%、最低为7.03%,证明所提方法的有效性,同时也为后面的多列车协同模型奠定了一定的基础。最后,从提高再生制动能量利用率的角度出发,分析了再生制动能的产生和利用方式。针对研究对象存在重叠时间不足的问题,本文提出了以重叠时间最大化为目标函数、以优化后的单车牵引、制动持续时间和发车间隔为自变量的解决方法,建立了多列车协同利用再生制动能量模型,并用亦庄线数据进行了仿真分析,得到了最大重叠时间的发车间隔为180s、300s和310s,这也很好的契合了现阶段亦庄线高峰期的最小发车间隔3min和平峰期的发车间隔5min。结果表明,列车在发车间隔为180s时的三个方案再生制动能量利用率分别提升了33.5%、37.3%、35.8%,三种优化方案的列车运行总能耗分别降低了10.33%、18.25%、12.76%,证明所提方法具有降低能耗的科学性和可行性。