随着我国城镇化建设速度的加快，大量人口涌向城市工作和生活，城市的常住人口数量和居民的私家车保有量不断增长，由此带来的交通拥堵和交通污染问题日趋严重。城市轨道交通因其快捷、准时、高效和节能等特点，近些年成为许多城市优先发展的公共交通方式。而随着城市轨道交通的快速发展，线网规模不断扩大，运营里程持续增加，在为城市居民的出行提供快捷便利的同时，也带来了巨大的能量消耗成本，给地铁运营公司的持续健康发展带来挑战。所以，在满足乘客出行服务的基础上，研究如何降低列车的运行能耗对我国城市轨道交通的可持续发展具有重要意义。
　　本文在借鉴国内外相关研究的基础上，考虑再生制动能实时利用和储能装置延迟使用两种情景，分别建立了基于分层协同优化的城市轨道交通列车时刻表与速度曲线一体化优化模型，以最小化乘客的等待时间和列车的净能耗作为目标函数，有效提高乘客服务质量并同时降低轨道交通系统能耗。主要的研究内容如下：
　　(1)给出了乘客等待时间和列车净能耗的计算公式。首先，详细分析了车站乘客数量随时间变化的具体过程，给出了乘客等待时间的计算公式，包含下车时间内车站乘客的等待时间、上车时间内车站乘客的等待时间、因列车容量限制而滞留的乘客等待时间和发车间隔内新到达车站的乘客等待时间。进一步，对前后相邻列车实时利用的有效再生制动能量进行分析，同时考虑了车上乘客质量对列车能量消耗的影响，建立了列车净能耗的计算公式。
　　(2)建立了基于再生制动能实时利用的城市轨道列车时刻表与速度曲线一体化分层优化模型。上层为时刻表优化模型，决策变量为列车的站间运行时分、停站时分和发车间隔；下层为列车净能耗与速度曲线优化模型，决策变量为列车的站间牵引时间、制动时间以及牵引加速度和制动减速度，对上下层优化模型分别使用遗传算法进行求解，给出了基于遗传算法的分层优化求解步骤。通过对北京地铁亦庄线的实例分析，结果表明，优化后的列车时刻表可以降低29.8%的乘客等待时间，节省7.1%的列车能耗，证明了模型的有效性。
　　(3)在上述基础上，建立了基于储能装置利用的城市轨道交通列车时刻表与速度曲线一体化分层优化模型。分析了储能装置利用下列车净能耗的计算思路，给出了列车净能耗的计算过程，进而使用遗传算法对上下层优化模型求解。最后，通过算例仿真，优化后的列车时刻表的乘客的等待时间降低了25.8%，列车运行中的实际能耗降低了24.2%。证明了模型的有效性，表明在满足乘客服务水平的前提下，安装储能装置可以有效地降低城市轨道交通系统的能量消耗。