La concentration de l'activité économique autour des grandes villes y entraîne une augmentation régulière de la demande en transport. Afin de répondre à cette demande, les entreprises de transports en commun tentent de proposer une offre adéquate, mais celles-ci sont contraintes par la saturation progressive des infrastructures. Dans le cas du transport ferroviaire, l'accroissement du nombre de voyageurs et de trains en circulation a pour conséquence une augmentation du nombre de perturbations au cours de l'exploitation, ainsi que de leur tendance à se propager et à s'amplifier. Il en résulte une qualité de service dégradée pour les usagers et des pénalités financières pour les opérateurs. Deux leviers peuvent être actionnés pour atténuer les conséquences de ces perturbations : l'application de mesures de régulation pendant la phase opérationnelle, et la construction en amont de plans de transport robustes face aux petits aléas. C'est principalement sur ce dernier point que porte le travail de la thèse. Après avoir présenté le fonctionnement de l'exploitation ferroviaire en zone dense et donné une définition d'un petit aléa, nous passons en revue les différents travaux ayant été menés sur le sujet. La grande majorité des cadres conceptuels proposés pour la conception d'horaires robustes ne sont pas adaptés au cas spécifique de la zone dense, c'est pourquoi nous proposons un nouveau modèle sous la forme d'un problème d'optimisation stochastique. Une approche de résolution est ensuite détaillée, en trois étapes. La première porte sur l'estimation des distributions de probabilité des aléas de l'exploitation, à partir de données de retour d'expérience. Dans un second temps, nous utilisons ces distributions dans un outil de simulation stochastique permettant d'évaluer la performance d'une grille horaire donnée. Enfin, cet outil est utilisé comme fonction d'évaluation au sein d'une heuristique de recuit simulé visant à générer automatiquement des grilles horaires robustes.