城市公交是面向大众的公益性运输服务系统,它基于覆盖整个城区的线路网络为居民提供方便、快捷、低成本的出行服务。由于单位运量的资源占用率低,城市公交具有缓解道路拥堵,减少交通环境污染,甚至在很大程度上引领城市及其经济产业发展的作用。然而,过去30年在城市化与机动化交织重叠的中国,城市化进程和小汽车保有率高速发展,大城市的市区范围一扩再扩,城市公交的发展与运营面临着严峻的挑战。一方面,随着城市范围的扩大,公交的覆盖区域需及时有效地跟进,以满足大范围内多样化的公交出行需求,结果导致公交运营成本持续攀升;另一方面,城市公交作为公益事业,票价受政府管制,公交运营者无法基于成本-价格原理调整票价,结果导致公交公司入不抵出,持续严重亏损。为维持公交公司的正常运营,政府多采用拨款补贴的方式帮助公交公司减少赤字。但是,随着亏空的增多,政府需要持续不断地增加补贴金额。由于财政负担日趋沉重,政府的财政补贴常常不到位、不及时。因此,在高速城市化进程中,有必要创新公交服务的运营模式,丰富公交服务的商业形态,增加公交公司的运营收入,减少政府对公交的财政补贴,实现城市公交服务的可持续发展。在这一背景下,本文进行了如下的研究。首先,针对公交需求过疏的后城市化地区提出新式需求响应公交运行模式。基于过疏地区公交出行需求的动态变化特征和乘客支付意愿,构建混合整数规划模型,优化公交线路的发班时刻表和动态票价。为求解模型实施数值分析,基于遗传算法设计求解算法。案例分析的计算结果表明,与常规公交运营模式相比,新式响应公交模式可提升运营者的收益,降低乘客的总出行成本,改善后城市化地区公交的服务水平,有利于城市化进程中需求过疏地区公交的可持续发展。其次,针对公交线路密集的中心城区提出公交公司与快递公司协同的城市配送新模式。基于公交首末站的空间分布与线路的发车频率、快件配送需求的空间分布与时间窗要求、货车配备成本与额定载运量等,构建混合整数规划模型,优化公交车与快递货车协同配送时的配送方案,确定快件选择的运输车辆(公交车和配送货车)、起运时间与运输路径以及配送货车的运行方案。为利用模型进行数值验证,基于蚁群算法设计求解算法。在案例分析中,以向97个需求点的配送为例,分别求解协同配送和配送货车单独配送模式下的配送方案。通过比较两种方案的差异,验证协同配送模式的有效性和实用性。通过敏感度分析确定在公交配送单价不同时,公交公司收入的波动情况。最后,基于城市化进程中地价不断上升引起的公交场站选址面临的难题,提出公交场站选址及场站与周边土地协同开发的场站建设运营新模式。基于公交车入场行为、公交线路延伸决策、土地商业开发利益与居民居住选址及消费行为,分别构建公交导向式场站选址模型和政府主导式场站选址模型,求解两种选址模式下公交场站的空间位置及规模、公交线路开设及延伸方案、土地开发后各地块地价及为公交运营者和政府带来的收益。基于大连市的实际数据实施的案例研究表明,公交导向式场站建设运营模式可增加土地财政的收入和公交运营者的收益,提升偏远地块的公交出行可达性,改善部分中心城区人口的居住密度。一体化开发场站及周边土地有利于优化城市土地利用格局,使城市结构由单中心型向多中心型转变。本论文分别进行了公交服务的经济类商业模式、运营类商业模式和战略类商业模式创新研究,研究成果有助于公交运营者多样化其服务模式,增加运营收益;有助于城市政府获得额外的土地财政收入,减少对公交的财政补贴;有助于改善居民的公交出行质量,促进公交行业乃至整个城市的可持续发展;本研究奠定了动态公交发车间隔与浮动票价的理论基础,提供了公交与货车协同开展城市配送的理论依据,丰富了公交场站建设运营的理论方法,在理论上扩展了城市公交服务的市场范围和运营模式。