为满足城市群范围内旅客直达出行需求，提出了以多层次轨道交通衔接为基础的直通线路规划方案，探讨了不同方案带来的客运系统增益效果。基于超网络理论构建了城市群超网络模型，量化了旅客超路径的广义出行费用。构建了直通线路最优选择方案的双层规划模型：上层规划综合考虑运输商的利润和设置直通线路所节约的旅客出行成本；下层规划为城市群多方式交通系统的平衡分配模型，采用遗传算法和相继平均法求解上下层模型。最后，以京津冀城市群内衔接主要枢纽的客运线路为例对模型进行有效性验证，对直通线路设置规模的合理性进行论证。结果表明：在北京首都国际机场、北京站、北京西站、北京南站和天津站这5个枢纽之间，可开通备选直通线路11条，最佳直通线路编号为1、2、5、6、7、9；目前合理的直通线路规模为3条，开通之后的系统效益将提升28.03%，旅客平均出行时间降低10.02%。