近年来,由行人拥堵造成的各种事故频繁发生,不仅给社会带来巨额的经济损失,而且对人们的生命构成了严重威胁,因此,如何科学管理和有效控制行人拥堵是一个亟待解决的问题。由于行人系统是一个自驱动的多粒子复杂系统,行人之间具有较强的非线性相互作用,且存在自主性、随机性、能动性和可压缩性等特点,其研究比机动车流更复杂,更具挑战性。因此,如何建立合理的行人流模型来探索其宏观行为特征和拥堵现象的生成机理,对于提升我国行人交通的基础理论及应用水平具有重要意义。本文在现有行人流宏、微观模型的基础上,针对相向行人流、单向密集人流及多种类行人的队列等情况,考虑行人微观运动特征及行人之间的行为差异,提出改进的模型,并进行相应的理论分析和数值模拟,探讨行人流的宏观行为特征和拥堵的生成机理。此外,还从定性的角度为行人设施的规划、行人流的管理和控制提出相关建议。全文的主要工作如下:一、从行为建模的角度,考虑行人的潜意识行为,行人之间的速度差异以及动态变化的偏向概率,提出两个改进的相向行人流格子气模型,研究由此产生的行人流宏观行为特征和拥堵的生成机理。在Muramatsu et al的格子气模型基础上,从行为建模的思想出发,综合考虑行人向右偏向、向左超越、向右避让的潜意识行为和行人之间的速度差异,提出一个描述相向行人运动的新模型——潜意识行为模型。数值模拟研究了不同边界条件下,相向行人流在潜意识行为偏向强度、不同最大速度人群混行以及入流对称性与非对称性等因素影响下的动力学行为。结果表明:潜意识行为能够增强系统的稳定性,减少行人拥堵的发生;速度混合越大,相应临界密度所对应的流量越大;相向行人流移动效率的提高取决于左、右行人分别进入系统不对称性的程度。在此基础上,为了更好地刻画行人个体潜意识行为方向上的强度变化,引入一个偏向概率强度函数,提出另一个新模型——空间偏向的动态概率模型,并重点探讨了违反交通规则的行人对相向行人流的影响及产生交通拥堵的微观机理。结果表明,违反交通规则的行人是诱发交通拥堵的主要原因,而遵守交通规则能够有效地缓解行人拥堵的发生。此外,这两个新模型都能够再现真实相向行人流的典型特征,例如,行人的自组织成行、分层和从自由流向拥堵流的相变等。因此,所提出的建模思路和方法对行人流理论的完善有参考价值。二、提出一个考虑跟随强度变化的相向行人流格子气模型,研究由跟随效应所诱发的行人流宏观现象的产生机制。考虑不同行走环境下行人的不同跟随行为,提出一个跟随强度变化的相向多速行人流格子气模型。数值模拟研究了系统尺寸、非对称性、违反交通规则行为以及潜意识行为强度等对相向行人流的影响,并对行人流的时空动力学特性、相变及“死锁”问题进行了讨论。结果表明:模型能够展现行人流的自组织分离、分层等现象;当系统宽度W和长度较大时,堵塞密度将不再随系统尺寸变化;左、右行人数量的非对称性可以增加系统的稳定性,并能减少拥堵及“死锁”现象的发生;违反交通规则行人的错误引导及其他行人的盲目跟随是诱发行人宏观拥堵现象发生的主要机理。最后,提出了一些关于优化行人步行设施和控制行人拥堵的意见和建议。三、基于行人流实验,考虑行人之间的相互作用力差异,提出一个描述单向密集人群的优化速度模型,研究密集人群拥堵产生的机理及密度波的非线性特征。以单向高密度行人流实验的观测结果为基础,考虑行人之间的相互作用力(吸引力和排斥力)差异,引入一个新的相互作用力函数,提出一个单向密集人群的行人流优化速度模型。通过对模型进行线性稳定性分析,得到了稳定性条件和中性稳定曲线。由相图对比分析可知,非对称性效应能够加强密集人群的稳定性。通过非线性分析,得到了mKdV方程,其扭结-反扭结波解可用于描述行人时停时走现象。从行人间距的时空演化图可知,该模型能够有效地抑制行人流中出现的小扰动,且理论分析、数值模拟与实验观察到的时停时走现象的延迟结果一致。本模型为研究密集人群拥堵产生和演化的机理,为防止和控制拥堵的发生提供了新的思路。四、将Nakayama的模型进行拓展,提出一个描述非均匀系统的多种类行人队列优化速度模型,研究行人队列运动的演化规律和时空斑图形成的微观机理。在Nakayama优化速度模型的基础上,考虑行人个体之间的差异(如年龄、性别等)和非对称相互作用,提出了一个非均匀系统的多种类行人队列优化速度模型。通过对模型的动力学方程进行稳定性分析,分别得到了周期性边界条件和开放性边界条件下非均匀系统的稳定性判据。针对三种不同队形排列的行人运动情况,分别在两种边界条件下探讨了行人运动的演化规律和时空斑图形成的微观机理。数值模拟表明:该模型能够真实地刻画行人运动过程中的时空分布,再现行人的聚集、消散和集团运动现象。五、基于二维行人格子流体力学模型,考虑行人视野范围,提出多视野行人格子流体力学模型,从宏观角度研究视野效应对行人流系统稳定性的影响。在二维双向行人格子流体力学模型的基础上,借鉴一维合作驾驶智能交通系统的建模思想,考虑行人前方多格子信息,提出了多视野行人格子流体力学模型。通过线性稳定性分析给出了模型的稳定性条件和中性稳定曲线,由非线性分析得到了描述密度波的mKdV方程,其扭结-反扭结波解能够用于描述行人的拥堵状态。结果分析表明,考虑前方多视野范围内的行人运动信息后,能有效地提高行人交通系统的稳定性,减少行人拥堵。由临界敏感度与各参数之间的定性关系,可获得增强系统稳定性的方法,即可通过合理控制各方向行人比例配置的最优方案,以达到缓解行人拥堵的作用。最后,对全文进行了总结,并指出需要进一步研究的问题。