这问题问的非常好！话说多点像题主这样高质量的问题，知乎的轨道交通板块——软硬件的科普性绝对杠杠的！
这篇回答是我第一次写一个比较细一点的科普原理性的东西，但愿别写的太枯燥了。不一定能写好，我试试哈。
让我们先来看一下题主的题目和题文：
列车时刻表是如何设计出来的？
分析：我为什么说这个问题问得好，是因为这个问题本身定位就很精准。
"列车时刻表"如何设计，这一下就把问题定位到了信号的场景之中，在地铁当中，列车时刻表（其实是列车运行图，下面会说）的编制是在 ATS（Automatic Train Supervision，即自动列车监控系统）子系统的功能之中的；铁路当中，则是包含在 CTC（Central Trafic Control，即调度集中系统）子系统之中。两者的原理，性状大体相似。既然找准了目标对象，下边我们也就容易分析了。
我是指这么多城市之间的列车通行计划产生的方法，其优化性能是如何保障的？
分析：可能题主为了怕大家不能正确理解他的真实意图，在题目正文中又加以补充。前一句话和题目基本是吻合的，后边"优化性能"实际对这个问题的回答就提出了更高的要求，不仅要知道"图"和"计划"是怎么来的，同时还要知道"图"和"计划"是怎么优化的（比如列车晚点了，后边的车怎么追回来这种对意外情况的处理）
好，分析完题主的题目，我们就知道了这次要解决的主要问题：即：
1、列车时刻表是怎么编制出来的？
2、编制好后的时刻表在日常中到底是怎么工作的，如何优化？
下文以地铁场景为例进行回答（铁路场景原理类似，会存在运行间隔、车次定义等的不同），不会影响本题的既有方向。
一、列车时刻表是怎么编制出来的？
首先，还是先来做一个简单的解释。
一提起列车时刻表，大家可能都觉得自己很熟悉，包括我自己上大学那会儿，我以为的列车时刻表就是下图这样的：
这样的：
还有这样的：
那我的理解有问题吗？没问题呀朋友们，谁敢说上边这几张图不是列车时刻表？他们就是列车时刻表啊。我们在 12306 上买票、去火车站看的就是这些！
但后来做了这个行业，我才发现。原来，我以为的我以为仅仅是我以为。
当然，上述的理解仍然没有错误，只是比较浅显罢了。那我们为什么不往深入考虑一下呢？
为什么每天当我们一来到火车站或者登陆 12306 后，就会看到已经确定好的车次和列车到站时间呢（这里正晚点的问题我们在第二个里讨论，这里先考虑常规情况）？是不是冥冥之中还有一只"大手"在控制着它呢？
没错，这只"大手"就是列车运行图！
所以，我们这第一个问题实际上也就可以翻译成：列车运行图是怎么编制出来的？
列车运行图长啥样呢？它长下边这样：
这是一张没有车组号，没有车次号，没有站名的"三无"运行图（网上大概搜了下，没有合适的图片。而且，出于保密原则，无论把哪家地铁公司的列车运行图放在这里，都不是很合适。所以这里给大家说句抱歉，只能放这样一张图代替，不过后边为了让大家有个更清晰的认识，后边给大家准备了个惊喜哟），只能隐约看到列车运行间隔和折返时间的存在。
看到这张图，很明显，它就不是一张人为手画出来的图！一看就是用软件画出来的，这个软件往往我们就管它叫做离线编图软件，即：列车运行图往往是我们在线下绘制完成的。
但，注意咯，下边是重点！
这个线下的流程显然是没有参与到我们的实际的列车运行控制系统（信号系统）之中去，那么如何让列车按照我们绘制好的运行图去"跑图"（即按照图定来跑），这里面要建立一个链接。
而这个链接则是包含在了信号系统中的 ATS 子系统（上面已经提到了，自动列车监控系统，下边不再浪费注释描述了）的功能之中；实际上（开始大白话了，别看百度，跟着我的思路走）ATS 子系统本身就是列车与人之间的一个媒介。
说穿了，它就是个人机界面，我如果是调度，我就坐在调度大厅看着 ATS 子系统的显示器，就能够实时监控到列车在线路上的运行状态（车在站台还是区间，多少辆车在路上跑，车次号都多少，道岔位置是定位还是反位，信号机是否封锁等等）。
提一下 ATS 系统，我们再回来看我们的问题，列车既然要按照绘制好的运行图去执行，那么如何将我们已经画好的离线"图纸"上传上去呢？
这个时候，ATS 系统说了，不怕，你输入一个正确的账号密码，就可以在你自己离线编图软件上把你的图上传给我了，上传给我之后，离线计划运行图就变成了在线计划运行图，有了在线计划运行图，事情就简单了，将计划设置好，我们的列车就可以按照我们编制的图正常运行了。
上面我把大致的套路给大家说了一下，接下来，直接举个例子，给大家看看。
高能时刻开始！！！
咱们来看一下这张图，其实这张图就是一个非常典型的运行图（viso 画的一般，没办法，都是线条凑出来的。
不过这里实在不好拿官方的编图软件展示给大家，谅解一下哈，你们放心，我这图也不差的，一样能给大家说清楚。
接下来给大家说说简要的编图步骤（编图实际上对于真正运营是一件非常认真且重要的事情，真实的图不会像我这个图这么简单，参考上边那个"三无"图形的复杂度；运营公司都会预先把图编辑好，工作日用什么样的，周末用什么样的，黄金周用什么样的，春运用什么样的，这些图可不都是临时编辑的哦，时间来不及的）
步骤一：
首先我们要知道，我们图是由一条一条的交路组成的，比如像我图中的，朝歌站 - 汜水关站 - 西岐站，这是一条始发站 - 中间车站 - 终点站的交路，西岐站 - 汜水关站 - 朝歌站，这便是另外一条终点站 - 中间车站 - 始发站的交路，这两条交路构成了我们的一辆列车的往返交路。
所以，在画图之前，交路是通过 ATS 的软件数据中的配置文件已经编辑好了，预先已经把这个交路的所有车站的坐标信息都写进去了。这个内容也是在信号系统的设计联络会中，需要预先跟地铁公司业主一一确认的。
一条线会有很多条交路（最可怕的还是全交路，当然，全交路已经普及了......），所以正确选择我们所要绘制运行图的所包含的交路信息是第一步要做的！
步骤二：
确认好了交路，我们就知道列车该按照一个什么样的轨迹去运行了，接下来我们就可以在系统中输入变量，比如我们想要的折返时间、列车（最大、最小）间隔，停站时间，发车时间（上图我们第一辆车的发车时间就是 08:00 整，始发站朝歌站），运行等级等等。
输入完毕后，点击确认，离线的运行图我们就编辑好了。
步骤三：
接下来就非常简单了，按照上边我们所说的，输入一个正确的账号密码，将我们离线编辑好的运行图上传至在线计划上。
一般是在我们的调度员工作站上，我们把上传后的运行图下载下来，让列车去匹配我们设定好的计划跑图（设置计划车），就大功告成了（这不是一篇行车调度员的培训操作手册，就不写太细了，写成这样我都怕没人看了……）
二、编制好后的时刻表在日常中到底是怎么工作的，如何优化？
这第二个大问题，怎么工作的，在上面我已经提到了。这里就不再仔细说了，重点来说说这个如何优化。
其实对于这点来讲，拿出一份ATS 子系统技术规格书可能直接就搞定了。但我这里不得不吐槽一下，现在的厂家技术规格书写的其实就那么回事，你光看不一定能看的懂，真要想弄清楚还得是自己实际操作。
那这里面也就出现了一个断档，所谓"断档"就是厂家的技术人员，懂这个产品本身，懂软件懂数据，但不懂实际运营；而运营人员本身非常熟悉地铁运营流程，但对产品本身出现的故障往往很多情况下无能为力！
有人会说，产品就得厂家解决，运营不需要懂啊！另一种说法就是我也不需要懂运营咋回事，运营怎么回事和我什么关系？
这种想法是视野狭隘的一个典型表现！
能把两者拉通的人有没有？有！但太少了，个别厂家大拿和调度老司机玩的六的不是不存在。
- 作为地铁的实际运营者，应该时时刻刻想着如何提高运营指挥效率，信号出了问题，大多数情况就是：调度找通号，通号找厂家，这中间浪费了多少时间？未来运营水平的提升一定是地铁运营单位的工作人员个人素质水平的大幅度提升，这一点需要厂家和地铁公司共同努力！什么时候达到这一点，我国的轨道交通就真的可以"打遍天下无敌手"了。
- 对于厂家来讲也是一样，我特别信奉一句话：搞工程技术，不懂现场，不懂实际，天天就坐在家里写方案，这辈子的技术水平也就是个不太合格的复印机罢了，永远无法"独孤求败"！
当然，以上场景的实现，存在着大量这样那样的困难和"不可描述"的阻碍，这里，我仅仅是说出来，痛快痛快。
跑了个题，赶紧拉回来啊！继续讨论优化问题。
优化问题实际上要对应上的具体的场景来说，很典型的一个情况就是由于各种各样的突发状况，比如导致列车晚点了（诸如由人被门夹了，车门半天关不上等等引起），如何处理？
这里对于 ATS 子系统而言，本身就有一个很典型的功能叫做"自动列车调整"。
自动列车调整：即根据我们当天已经编辑好的运行图和偏离计划（早晚点），能够自动调整列车在下一个站间的列车运行等级，自动的缩短和延长停站时间，使得列车的实际运行时刻能够尽可能的去接近我们的"图定"计划！
分析开始：
说白了，非常简单，就是在满足一定的条件下，系统可以自动调整"不正常"运行的列车，比如 A 车在汜水关站有乘客被夹住了，后恢复正常，但导致本来正常的 30s 的停站时间变成了 45 秒，那么也就是此时此刻 A 车就需要在汜水关站开往西岐站的区间把慢了的这"15s"追回来，怎么追回来呢？
要靠调整运行等级来实现！
列车在区间运行的时间有个概念叫运行等级，一般有好几个等级，每一个等级对应着不同的运行时间，比如等级一是 100s，等级二是 120s，等级三是 140s。
正常情况下我们系统默认是按照等级三的标准去跑这段区间，但由于我们列车在上一个站晚点了，为了追回来，这个时候，自动列车调整可以自动调整运行等级变为"等级二"，也就是列车在区间开始加速，保证列车可以尽最大可能准点到达西岐站。
这，也就完成了所谓的优化过程！（都能看懂吧，原理实际上非常简单，但涉及到具体的项目，前期去甲乙方沟通技术细节的时候，那可是一个漫长的过程……）
通过上面的例子，简要的回答了一下题主的第二个问题。
所谓优化，现在大多数都可以通过系统自身来完成，这也是列车自动驾驶的一个有效组成部分，这要是都做不到的话，我们后边还怎么玩无人驾驶呢？
当然，实际还需要的优化场景还有很多！如果有朋友很感兴趣，欢迎成为一名优秀的 ATS 子系统的技术人员！欢迎报考轨道交通信号与控制专业！
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