随着城市机动化进程的不断加快,交通拥堵、事故和环境污染等一系列问题日益突出。发展“多模式多层次”的公共交通系统被广泛认为是缓解各种城市交通问题的有效措施。作为公共交通的一种,公共自行车已在世界范围内引起了广泛的研究兴趣,并得到了管理部门的积极引进和发展。然而,在实际运营中,自行车在时间和空间上的借还不平衡,导致租赁点会出现“无车可借,无位可还”的现象,极大地降低了人们选择公共自行车出行的热情,制约了城市公共自行车系统的健康发展。本文在国家863计划项目《多模式多层次地面公交高效协同控制技术》(No.2014AA110303)的资助下,基于对公共自行车IC卡数据的挖掘,探索公共自行车系统的使用特性,提出公共自行车系统的分层调度策略,并对调度系统的总体架构进行设计;进而分析公共自行车静态调度和动态调度需求的计算方法、构建公共自行车静态调度和动态调度车辆路径优化的模型和算法,并利用实例验证模型和算法的可行性和有效性。旨在针对公共自行车日常运营中“无车可借,无位可还”的现象,进行专门、系统、全面地研究,以形成一套完整的解决城市公共自行车“借车难,还车难”问题的方法,从而为实际的公共自行车系统运营提供理论、方法和技术支撑,提高用户的满意度和系统运营效率、缩减运营成本。首先,本文在分析公共自行车IC卡、气象等数据的基础上,运用相关性分析法筛选影响公共自行车出行的主要因素,并从时间和空间两个角度研究用户出行以及租赁点借还的时空特性。其次,基于公共自行车的使用特性,分析调度类型和调度模式,提出公共自行车系统的分层调度策略。结合调度系统的设计需求,构建公共自行车调度系统体系结构,确立租赁点监控模块、数据清洗分析模块、故障车识别模块、调度需求分析模块、调度方案生成模块、调度执行模块等六大功能模块。再次,研究公共自行车静态、动态调度需求量的预测方法。通过对各租赁点累计借还差的分析,提出求解各租赁点最优初始投放量的方法,建立各租赁点夜间的静态调度需求量计算模型。基于公共自行车各租赁点的借还时空特性,进行聚类分析,研究不同类型的租赁点在不同天气、日历情况下短时借还需求预测的方法,提出各租赁点白天的动态调度需求量计算模型。最后,在明确公共自行车静态、动态调度需求量的基础上,构建以调度成本最低为目标、满足调度车容量和时长限制的公共自行车静态调度集分割模型,以及以调度成本最低和用户满意度最大为目标、满足调度车容量限制的公共自行车动态调度集分割模型,并根据集分割模型的特点,基于分支定价算法(Branch-and-Price)、SPFA算法(Shortest Path Faster Algorithm)和邻域搜索算法,设计相应的求解算法。利用实例分析验证模型和算法的可行性和有效性。