城市交通及伴随的环境、能源等已成为当今社会普遍关注的问题之一。提高公共交通吸引力,优化城市居民出行结构、走可持续发展之路是解决问题的根本途径。城市轨道交通作为国内外众多大城市客运交通运输的主体或骨干,对其城市社会经济发展起到了重要促进作用。2008年底,全国已有10座城市的轨道交通建成并运营,有8座城市已立项并正在建设,另有20座城市正在申报或筹备。预计到2050年我国城市轨道交通总里程将超过4500km,可以看到我国大规模发展城市轨道交通的时代已经来临。城市轨道交通占用地面空间小、节能环保等优势,不但可以疏解城市交通拥挤,而且有利于改善人居环境质量、促成城市可持续发展；但由于其建设和运营投入巨大、可达性低等局限,客观上要求以审慎的原则规划和发展。线网布局规划是轨道交通线网规划中的核心内容之一,其布局方案质量将制约线网规划成果的功能适用性、运营合理性和工程可行性。在当前形势下,研究城市轨道交通线网布局规划理论和方法具有重要理论意义和实践价值。论文依据可持续发展的思想,运用城市轨道交通、城市与城市交通规划、系统分析及运筹学、图论和复杂网络等理论方法,在广泛总结的基础上,对城市轨道交通线网布局规划中的客流需求预测、单线布局形态、线网布局形态和布局优化方法进行了研究,并对当前线网布局规划中的线路长度、环线布设等热点问题进行了探索。论文通过分析城市轨道交通客流需求预测的问题和成因,提出了基于“情景分析”的客流需求预测方法和流程,可定性定量结合地建立并反馈目标预测环境,弥补超远期预测边界约束缺失,同时整合形成共同发展途径以保障客流预测目标实现。为提高预测基础数据质量,论文按照组团状城市核查线可围合成若干封闭区域的特点,依据极大熵原理,以核查区和路段总观测值与估算值差异最小化为目标,建立了基于核查区的OD矩阵校核模型及算法。并用2008年西安市居民出行调查数据进行了验算,结果表明该方法能减少工作量、提高数据校核精度。论文在总结国内外城市实际运营轨道交通线路功能、运营特征与线路布局形态关系的基础上,将轨道交通单线线路布局形态归纳为直线、环线和组合型三种结构类型,并分析了各种类型的特性和分类、功能特征和设置条件。以轨道交通线路运营社会总体效益最优化为目标,分别建立了直线和环线类线路长度优化模型,并用国内实际数据进行了验算。结果表明,在通常情况下正线的最优长度在14.5-37.0km,且与客流强度成反比。论文运用复杂网络理论方法,提出了轨道交通线网布局结构形态的四项复杂网络特征指标,并对典型的纯放射式、环形放射式和棋盘式线网的进行了试算和分析。同时,论文研究了“城市轨道交通线网整体布局优化模型”及相应的遗传算法。