随着我国经济持续高速增长,城市化进程不断加快,以运量大、方便快捷、安全准点、舒适、占地小、低污染为显著特点的城市轨道交通为缓解城市地面交通拥挤、分担客流、促进城市经济社会和谐发展起到至关重要的作用。而城市轨道交通系统耗电量巨大、运行成本很高,列车牵引用电量约2.4 kW·h/车公里,占运营总能耗的40%-50%。降低能耗、节约能源特别是节约列车牵引能量是城市轨道交通急需解决的重要问题。城市轨道交通系统是复杂的多列车、多目标实时系统,列车间存在着行车冲突以及频繁的能量交换。本文以牵引变电所总能耗最小为优化目标,从单列车优化和多列车协同优化两个方面研究了基于再生能量利用的列车节能控制算法,研究并仿真验证了不同节能控制策略的节能效果和适用范围,并将多列车节能控制算法应用于基于列车节能的时刻表制定方案的设计。该研究具有重要的学术价值和实际意义。本文首先基于列车牵引计算、列车自动控制和牵引供电相关理论,构建了以牵引变电所处的总能耗最小为优化控制目标的多列车系统和节能模型。该模型不仅考虑了单列车的牵引制动性能、列车重量、各种限速、线路条件、列车的操控方式等与节能的关系,同时也考虑了信号控制系统、列车牵引供电系统、列车再生制动能量的吸收和利用等对节能的影响。以单列车运行数学模型为基础,基于极大值原理和动态规划算法求解以牵引能耗最小为目标的单列车节能控制优化问题,提出了单列车准点节能运行控制算法并进行了仿真验证。对单列车优化运行操纵进行了理论分析,根据极大值原理给出了列车节能控制的必要条件,结合城市轨道列车的运行特点,分析节能优化操纵应当遵循的原则,并给出了相应的优化操纵评价指标。根据动态规划算法的机理,将其应用于多阶段列车节能控制问题的求解,并给出了列车在线调整的节能控制策略,提高了算法的适用性。以基于牵引能耗优化的单列车准点节能控制为基础,将牵引变电所处的总能耗最小作为节能优化控制目标,考虑在先发列车向牵引网反馈再生制动能量时,通过调整对向行驶的后发列车控制序列,提出了基于再生能量利用的多列车准点节能控制算法,并进行了仿真验证。根据极大值原理研究了当先发列车向牵引网反馈再生能量时,同一供电臂下后发列车的节能优化控制的必要条件和优化控制原则。以多列车节能控制模型为基础,采用动态规划算法研究并仿真验证了通过优化后发列车控制序列,提高再生制动能量的回收利用,降低牵引变电所处的总能耗的控制算法,并对节能效果进行了分析比较。在分析两列列车相对运行时的牵引供电系统电气模型,根据列车动力学模型和电路拓扑,以牵引变电所处的总能耗最小作为优化目标,将供电区间内两列列车的牵引力/制动力使用系数同时作为控制变量,建立了多列车协同控制优化问题的数学模型。考虑到多列车协同控制问题多约束、非线性、两列车状态变量相互依赖等特点,采用了改进遗传算法求解多列车协同控制问题。通过仿真验证该算法可以在满足两列列车准点运行、准确停站的约束要求下实现系统节能。将此算法与仅优化后发列车控制序列的控制策略相比,多列车的协同控制能够进一步吸收先发列车的再生制动能量,但是节能效果改善有限。将基于再生能量利用的多列车优化控制研究成果应用于基于节能的运行图的方案设计与分析。在既有运行图的混合整数规划数学模型中分别考虑基于牵引能耗节约的单列车节能和基于再生能量利用的多列车节能控制算法,完成基于节能的运行图的方案设计。结果表明：当列车群按照给定运行图运行时,采用基于再生能量利用的列车节能控制可以使城市轨道交通系统获得更低的系统总能耗。另一方面,在设计基于节能的运行图时,若列车使用基于再生能量利用的节能控制,可以减少调整发车时间对多列车运行的影响。