随着铁路旅客运输需求的逐年增长,我国部分铁路线路需要在有限通过能力的条件下开行越来越多的列车以服务旅客出行需求。同时,近年来我国经济发展迅速,旅客对出行品质的要求也越来越高,而铁路旅客运输在客运市场中也面临着来自其他运输方式愈加激烈的竞争。列车运行图作为铁路运输服务产品的直接表现形式以及指导铁路运输生产过程的核心技术文件,其编制质量不仅对铁路运输系统运行效率和运输成本有根本性的影响,而且直接决定了旅客乘坐铁路出行的满意度。目前我国铁路列车运行图编制工作仍然采用人工编制为主、计算机系统编制为辅的模式,编图人员主要从宏观层面编制列车运行图,并且在列车运行图编制过程中以列车开行方案为给定输入信息,未考虑对列车开行方案的反馈调整。因此,有必要针对以上问题开发高效、实用的列车运行图编制优化模型和算法,提高铁路运营管理部门编制高质量列车运行图的自动化水平。本文在系统分析总结列车运行图编制优化问题国内外研究现状及不足的基础上,结合我国铁路线路条件和运输组织特点,针对中国铁路客运系统,对复杂典型场景下的列车运行图编制优化问题进行研究,包括宏观层面高速铁路周期性列车运行图编制优化问题、宏观层面高速铁路列车开行方案与周期性列车运行图一体化优化问题以及微观层面普速铁路非周期性列车运行图与线路维修作业计划一体化问题,针对以上问题采用运筹学优化方法建立整数线性规划模型,并设计高效的分解算法对模型进行求解,以有效提高铁路线路通过能力利用率和运输服务质量。论文具体完成以下工作:（1）基于我国铁路运输系统管理模式下的列车运行图编制流程,定性分析了宏观层面列车运行图、微观层面列车运行图、非周期性列车运行图以及周期性列车运行图等不同类型列车运行图的编制要素与内涵,并简要介绍了大M方法、离散时空网络方法以及周期性事件规划方法等主流的列车运行图基本建模方法,总结了本文所研究复杂典型场景下列车运行图编制内涵与特征,为后文构建复杂典型场景下列车运行图编制优化问题的整数线性规划模型奠定了建模理论基础。（2）以宏观层面双线高速铁路干线为研究对象,本文通过引入扩展时空网络建模框架而构建了一种新的周期性列车运行图编制优化问题0-1整数规划模型。具体地,将既有的基于周期性事件规划问题的优化模型重构为包含两个相耦合的主计划和扩展计划网络以及轨道能力副约束的多商品网络流模型。此外,设计了拉格朗日松弛启发式算法和交替方向乘子法等两种对偶分解算法来松弛轨道能力副约束。对于原始-对偶算法框架中每列列车的子问题,本文开发了改进的前向动态规划算法以在扩展时空网络中快速搜索每列列车的最小时变费用路径。在交替方向乘子法的算法框架中,本文提出了动态调整惩罚参数的启发式规则以获得高质量的上界解。最后,基于京沪高速铁路设计的实际算例验证了所提出模型和算法相比于基于周期性事件规划问题的优化模型的优越性。（3）鉴于大部分既有研究都依赖于启发式规则来根据列车运行图编制质量对列车开行方案进行动态调整的情况,本文通过引入两类0-1变量首次构建了具有统一形式的高速铁路列车开行方案和周期性列车运行图一体化优化0-1整数规划模型。特别地,本文设计了跨尺度一致性约束以耦合关联两类0-1变量,以保证列车开行方案优化问题和周期性列车运行图编制优化问题决策的一致性。此外,采用交替方向乘子法松弛跨尺度一致性约束和轨道能力副约束,从而将原始的0-1整数线性规划模型分解为列车开行方案优化子问题和一系列以单列列车为单位的子问题。在线性化处理交替方向乘子法中的二次惩罚项后,每个子问题都包含了跨尺度一致性约束的拉格朗日资源价格信息。通过调用商业优化软件和改进的前向动态规划算法对列车开行方案优化子问题和每列列车的子问题分别进行高效迭代求解以获得满意的原始和对偶解。实际案例求解结果表明,采用一体化优化方法相比于顺序优化方法能平均改善目标函数值5.78%左右。（4）在给定微观层面普速铁路路网基础数据以及列车和线路维修作业相关信息的条件下,本文建立了非周期性列车运行图与线路维修作业计划一体化优化模型,并设计了迭代求解算法对模型进行高效求解。具体地,以列车进路为基本微观单元来描述列车在铁路网络中的运行过程,并且本文所构建的一体化优化模型为整数线性规划模型,模型的列车运行图决策变量包括列车进路占用、列车进路进入和离开时间以及列车冲突进路先后运行顺序,而模型的线路维修作业决策变量为线路维修作业的天窗开始和结束时间。模型优化目标为在保证列车运行安全和线路维修作业正常作业的情况下最小化列车总旅行时间和线路维修作业总延误费用加权之和。由于一体化优化问题为NP难问题,本文设计迭代求解算法将模型分解为固定列车运行路径的优化子模型和线路维修作业的天窗时间的优化子模型,并调用商业优化软件对两个子模型进行迭代求解。实际大规模案例的求解结果表明迭代求解算法在求解质量和算法效率方面都有较优异的表现。