列车开行方案优化是铁路旅客运输组织的核心问题之一，它很大程度上反映了铁路运输组织的经营策略和服务水平。运用混合集合规划理论优化列车开行方案，可以描述该问题中大量的逻辑约束和非线性约束，针对复杂的、大规模的工程化问题，建立更加紧凑的模型，设计更为高效的算法。这将为列车开行方案优化设计提供全新的研究角度和理论支撑。　　本文对国内外研究成果进行了总结分析，运用混合集合规划的理论和方法构建了列车开行方案优化问题的模型和算法。论文的主要工作如下：　　1、介绍并分析约束规划、混合集合规划以及自然约束语言NCL的基础理论和应用特点；剖析了列车开行方案的定义、构成要素、影响因素和经典模型；进而结合我国高速铁路旅客运输的实际情况，系统分析了混合集合规划对列车开行方案优化问题的适应性。　　2、构建基于混合集合规划的列车开行方案优化模型。首先，针对问题，进行业务描述、约束分析、目标分析和数据建模；然后，建立了列车开行方案的ORDER-SHIFT-TOUR结构体系，并在此基础上，运用NCL语言，分别面向客流需求和方案线两个对象，从车流匹配和业务约束两个角度，挖掘了列车开行方案中的逻辑约束和数值约束，构建了客流分配与换乘优化一体化的混合集合规划模型。　　3、针对本文建立的模型，深入分析了模型结构和列车开行方案的业务规则，在大量数据测试的基础上，设计了稳定、高效的求解算法，并通过一定规模的京沪高速铁路列车开行方案的案例研究，验证了应用混合集合规划优化列车开行方案的可行性和有效性。