基于移动互联网的顺风车服务凭借着响应效率较高和出行费用较低的优点,开始在私家车用户中流行起来。与其他城市交通出行方式相比,顺风车出行距离较长,且具有明显的通勤功能,产生的轨迹数据可以真实地反映居民出行特征,能够很好地刻画都市圈空间结构的复杂特征,进而帮助制定都市圈交通和空间发展策略,但是目前还缺乏基于顺风车大数据的实证研究。另一方面,顺风车出行比公共交通更加灵活,比私家车自驾出行更加节能,被认为是缓解私家车依赖问题的有效手段,但是作为一种新兴的共享出行方式,该模式的市场占有率仍然比较低。目前为数不多的顺风车运营管理研究中,在数据应用和研究范围、节能优化和匹配方案设计等方面还有待深化。为了更好地发挥共享出行在缓解大城市交通问题中的作用,本文以海量顺风车出行数据为驱动,从城市交通组织与空间结构耦合关系的角度,开展了都市圈尺度下顺风车出行特征刻画和顺风车运营优化研究。前者旨在深度挖掘顺风车出行特征,相关结果可以应用于都市圈多中心结构的识别,并为后续分析出行节能和用户匹配的空间表现奠定基础,而后者包括顺风车节能补贴制定和匹配模型构建两部分,旨在设计更加有效的顺风车推广政策和匹配方案,推进顺风车服务的规模化发展。本文的主要研究内容和发现为以下四个方面:（1）基于海量实际运营数据,深入挖掘了顺风车出行模式的时空特征、用户特征、群体特征和运营特征。识别了不同类型顺风车司机的服务特征,确立了顺风车出行费用均摊和顺路载客的共享性原则,并从时空分布统计,地图可视化和数学处理方法的角度,证明了顺风车是一种具有都市圈通勤服务功能的共享出行方式,可以有效地支撑都市圈空间结构识别研究。（2）基于顺风车出行特征,提出了都市圈多中心空间结构识别“三步法”。第一步,基于网格模型的密度聚类方法,识别都市圈多中心结构布局;第二步,基于地理单元到中心体系的通勤强度和可达性的叠加关系,界定都市圈顺风车出行影响范围;第三步,基于密度和流量两组指标,综合评估多中心出行特征空间表现。案例研究发现,北京都市圈具有一主多副的多中心结构,中心体系的影响范围超越行政边界辐射到邻近区县,而多个次中心在人类活动空间表现上具有明显的异质性,发挥着就业次中心,通勤城镇,卫星城等多种区域功能,相关结果和发现可以辅助设计更加有效的都市圈土地利用和交通规划策略。（3）面向都市圈顺风车出行,提出了订单尺度的节能估算和补贴制定方法。根据不同载客率场景下的行驶距离与燃油经济性参数,估算了普通顺风车模式和四种二次拼车模式的节油情况,并在个人碳交易框架下,基于适度补贴和公平分配原则制定了不同定价场景下的顺风车出行节油补贴政策。案例研究发现,北京都市圈顺风车出行主要以市内单次拼车出行为主,但二次拼车和城际出行模式的节油效率更高;顺风车出行节油水平受行驶距离和绕行距离的共同影响,短运距长绕行的顺风车出行更加费油;顺风车出行节油主要来自于都市圈主中心,但外围次中心的出行节油效率更高;工作日顺风车出行节油量分布具有明显的早晚高峰特征;不同定价场景下的顺风车节油补贴方案可以适度有效地推广顺风车服务。（4）面向都市圈私家车出行,建立了乘客到司机的顺风车匹配模型。提出了基于线上顺风车平台的乘客到司机匹配流程,估算了包括分享心理成本和环保心理收益在内的广义出行成本,将匹配模型表达为一个0-1整数线性规划问题,进而针对初始用户参与度和灵活性,费用分担率和共享惩罚成本等关键运营问题,进行模型参数敏感性分析。基于伦敦都市圈的案例研究发现,顺风车出行主要分布在都市圈外围的就业次中心,但主中心拥堵收费区的匹配成功率更高;不同共享模式的顺风车匹配表现差异明显;用户灵活性能够显著提升系统匹配表现,特别是在初始参与率较低时;最优的费用分担率应当是乘客支付较低的比例;停车收费加价等惩罚类措施对提高匹配成功率更加有效;限额的节油补贴可以有效地提高顺风车匹配表现和节能减排水平,进而引导顺风车出行向共享距离长,顺路程度高,节油减排收益突出的共享型顺风车模式发展。本文首次基于顺风车出行大数据,建立了一系列具有创新性的模型方法,形成了基于顺风车出行特征的都市圈交通组织与空间结构耦合优化策略,对于顺风车服务乃至都市圈交通的可持续发展具有重要的理论价值和实际指导意义。