Los modos flexibles de explotación ferroviaria que combinan distintas estrategias de explotación, como los servicios de corto recorrido, exprés y local, pueden reducir significativamente los costes del operador y del usuario y aumentar la eficiencia y el atractivo de los servicios de tránsito ferroviario. Por lo tanto, es necesario desarrollar modelos de optimización para encontrar combinaciones óptimas de estrategias de operación para las líneas de tránsito ferroviario urbano. En este artículo se propone un modelo para resolver el problema del esquema de operación del transporte ferroviario urbano. El modelo considera servicios de corto recorrido, exprés y de cercanías con el objetivo de minimizar los costes del operador y de los usuarios. El problema se descompone primero en dos subproblemas: el problema de diseño de la ruta de servicio y el problema de asignación de pasajeros. A continuación, se formula un modelo de programa no lineal de enteros mixtos (MINLP) y se utilizan técnicas de linealización para transformar el modelo MINLP en un modelo de programación lineal de enteros mixtos (MILP) que pueda resolverse fácilmente con los solucionadores de optimización comerciales. Para acelerar el proceso de solución, se propone un algoritmo de búsqueda heurística para obtener soluciones (casi) óptimas basadas en las características del modelo. Los dos subproblemas se resuelven de forma iterativa para mejorar la calidad de las soluciones. Se realiza un estudio de caso real en Chengdu (China) para demostrar la eficacia y eficiencia del modelo y el algoritmo propuestos.