大型养路机械捣固维修作业是各国铁路工务部门为改善有砟轨道的轨道几何状态而采用的最主要、最有效的维修方式,也是成本最高的轨道维修作业之一。目前,我国铁路主要采取“周期修”的捣固维修模式。随着路网规模的不断扩大、列车速度的高速化、列车载荷的重载化,传统的捣固维修模式已经难以满足铁路运输对轨道状态安全性、稳定性、可靠性的要求,以及管理者在维修成本控制方面的迫切需求。因此,我国铁路捣固维修模式正逐步由“周期修”向“预防性状态修”转变。要实现这一转变,需要研究解决轨道几何状态劣化规律及捣固维修周期的准确预测、捣固维修规划及维修计划的优化等关键问题。本文围绕铁路轨道预防性捣固维修决策,对捣固维修周期预测、较长时间跨度的捣固维修规划优化和捣固维修短期施工计划优化等三个方面的问题进行了研究,分别构建了铁路轨道单元区段捣固维修周期个性化预测模型、捣固维修五年规划双目标优化模型和捣固维修月度施工计划双目标优化模型,具体内容如下:（1）构建了基于时间尺度变换维纳过程方法（Time-Transformed Wiener Process,TTWP）的铁路轨道单元区段捣固维修周期个性化预测模型。模型在充分考虑轨道几何状态劣化过程异质性、不确定性等特征的前提下,将线性、连续、长大的铁路轨道以200m长度单元划分成多个轨道单元区段,以每个轨道单元区段为建模对象,创新性地利用TTWP方法及每个200m轨道单元区段自身的轨道几何状态检测及捣固维修生产管理数据,个性化地描述了其相邻两次捣固维修之间高低标准差随时间的劣化规律,在此基础上结合捣固维修阈值个性化地预测了各个200m轨道单元区段的捣固维修周期。作者以兰新线铁路下行线路2187个200m轨道单元区段（里程范围为K548+000～K985+400）的为案例研究对象,利用其2015年4月至2018年11月高低标准差的轨检车检测数据和捣固维修记录数据对其捣固维修周期进行了预测,并通过分析预测准确度验证了模型的有效性,结果表明:模型能够辅助管理者较准确地分析铁路轨道的捣固维修需求,可为合理安排预防性捣固维修提供决策支持。（2）构建了基于可靠度-维修成本最优的铁路轨道捣固维修规划双目标优化模型（BORTTP模型）。模型针对一条铁路线路捣固维修五年规划的编制,以每200m轨道单元区段为捣固维修决策单元,以“季”为决策时刻,在利用第三章模型对该线路各轨道单元区段的状态和捣固维修需求进行预测的基础上,以规划周期内平均可靠度最大和总维修成本最小为双目标,在基于捣固维修周期的最晚捣固时机和基于剩余寿命的最早捣固维修时机的约束条件下,利用带精英策略的快速非支配排序遗传算法（NSGA-II）求解确定了该条线路未来五年内的捣固维修规划方案,即规划周期内在哪一季度对哪些轨道单元区段安排捣固维修是最优的。模型通过在成本目标函数中考虑捣固维修轨道占用成本实现了对机会维修策略的考虑,通过考虑最早捣固维修时机约束实现了对寿命损失的考虑。为验证模型的有效性,作者以兰新线铁路下行线路2187个200m轨道单元区段（里程范围为K548+000～K985+400）为案例研究对象,利用BORTTP模型及设计的求解算法求解了该段线路的五年捣固维修规划方案,并将求解结果与实际管理数据及其他模型（未考虑机会维修策略的模型和未考虑寿命损失的模型）的求解结果进行了对比,结果表明:（1）模型能够为管理者提供多种可供选择的捣固维修规划方案,且能够辅助管理者直观地分析出捣固维修费用对轨道可靠性的影响;（2）BORTTP模型得到的捣固维修规划方案,其年平均捣固维修工作量普遍低于实际的年平均捣固维修工作量,最高可优化21.4%;（3）与未考虑机会维修策略的模型相比,BORTTP模型求解结果对应的轨道占用成本更低,且更符合实际捣固维修管理需求;（4）与未考虑寿命损失的模型相比,BORTTP模型的优化结果能够避免超前修、过度修等不科学捣固维修活动的发生。（3）构建了基于轨道占用时间-轨道几何状态最优的捣固维修月度施工计划双目标优化模型（BOMTIS模型）。模型针对工务段内线路大机捣固维修作业月度施工计划的编制,以轨道占用时间最少、轨道几何状态最优为双目标,在捣固维修规划方案、维修资源、天窗内捣固车可移动范围、天窗内最小作业量等约束条件下,利用基于NSGA-II设计的求解算法确定了月度内大机捣固维修作业的施工日期、施工时间和施工里程位置。作者以嘉峪关工务段辖内兰新线下行线路2016年4月的捣固维修施工计划编制为案例,利用本文提出的BOMTIS模型求解了该段线路在2016年4月安排大机捣固维修作业的施工日期、施工天窗时间和施工里程位置,并将求解结果与实际捣固维修施工计划数据进行了对比分析,验证了模型的有效性,结果表明:模型能够为管理者提供多种可供选择的捣固维修月度施工计划方案,且相比于管理实际,能够以更少的轨道占用时间实现较好的轨道几何状态水平。