در این تحقیق با هدف بهبود درآمد و برنامه ریزی عملیات اپراتورهای حمل ونقل ریلی دو مدل برنامه ریزی چند سطحی ارائه شده است. در این مدل ها رقابت بین بخش های ریلی و جاده ای در حمل بار در نظر گرفته شده است. در مدل اول، اپراتور ریلی در سطح اول و صاحبان کالا در سطح دوم تصمیم گیری قرار گرفته اند. هدف بخش ریلی بیشینه نمودن سود عملیاتی است، با ملاحظه اینکه صاحبان کالا کم هزینه ترین شیوه حمل بار را از میان شیوه های ریلی و جاده ای انتخاب می کنند. برای واقع نمایی بیشتر مسئله، تصمیم گیری صاحب کالا در مورد شیوه حمل بار در قالب یک مدل انتخاب در نظر گرفته شده است. مدل دو سطحی با استفاده از شرایط کان تاکر و نتایج حاصل از چند قضیه اثبات شده به یک مدل تک سطحی غیرخطی تبدیل شده است. در نهایت به کمک روش تقریب قطعه قطعه خطی مدل تک سطحی با دقت قابل قبولی حل شده است. در مدل اول، رقابت بین بخش ریلی و بخش جاده ای به صورت ایستا در نظر گرفته شده است و بخش جاده ای واکنشی به تصمیمات بخش ریلی نشان نمی دهد. بر خلاف مدل اول، در مدل دوم رقابت بین بخش ریلی و جاده ای به صورت پویا در نظر گرفته شده است. این شرایط در قالب یک مدل سه سطحی فرموله شده است. در این مدل سه سطحی، اپراتور ریلی تصمیم گیر سطح اول، بخش جاده ای تصمیم گیر سطح دوم و نهایتاً صاحبان کالا در سطح سوم تصمیم گیری قرار دارند. بنابراین این مدل سلسله مراتبی سه سطحی، شامل سه تصمیم گیر مستقل بخش ریلی، بخش جاده ای و صاحبان کالا است. در این مدل، همانند بخش ریلی، هدف بخش جاده ای نیز بیشینه نمودن سود است؛ در حالی که هدف صاحبان کالا، انتخاب کم هزینه ترین شیوه حمل ونقل است. همانند مدل اول، این مدل نیز به کمک قضایای ریاضی به یک مدل تک سطحی غیرخطی تبدیل شد و در نهایت، با روش قطعه قطعه خطی با دقت قابل قبولی تقریب زده شد . اعتبار مدل های ارائه شده به وسیله چندین مسئله آزمایشی مورد ارزیابی قرار گرفت. نتایج بدست آمده نشان می دهد که هر دو مدل برای مسائلی با مقیاس دنیای واقعی در زمان معقولی قابل حل هستند؛ اگرچه ممکن است برای مسائل آزمایشی خیلی بزرگ نتوان آن ها را حل نمود.
