随着城市化的不断发展和大型活动的日益频繁,行人步行作为最基本且常见的出行方式其安全性、效率性和舒适性受到了广泛关注和研究。作为典型的交叉学科,行人动力学研究需要综合心理学、行为学、物理学、运筹学、计算机科学等多个学科领域的知识来开展。其常用的研究手段有:基于对行人运动机理认识进行的建模仿真方法,以及基于实证数据对行人运动规律特征进行的统计分析方法。基于此,本论文的主要研究工作展开如下:(1)提出并验证了基于Voronoi图的行人动力学行为特征。Voronoi图具备的独特几何性质可以用于刻画描述行人运动中的个人领域,跟随/绕行方向以及邻居等行为特征。为了进一步探讨基于Voronoi图的相关建模方法的可行性,本部分还利用真实实验中的行人轨迹数据等对其进行相关分析。研究发现基于Voronoi图定义的行人特征方向可以用于描述真实场景下的行人方向选择行为,这一特点对行人动力学的建模研究具有理论指导意义。(2)构造了基于Voronoi图的微观动力学模型。本部分分别基于传统社会力模型和启发式模型提出了基于Voronoi图的改进模型。在改进社会力模型中,行人除了选择指向目标点的自驱动力方向,还增加了一个备选方向,即指向Voronoi点的绕行行为方向。通过原有目标点方向和绕行方向的组合,仿真中的行人绕行行为得到了显著改进。在改进启发式模型中,提出了三类特征方向,即基于Voronoi图的目标方向、绕行方向和微调方向。行人会考虑局部密度的影响,从三类特征行为方向中选择最合理的运动方向。上述两组改进模型都可以再现吻合良好的基本图和常见的自组织现象,并且得到一些相比原始模型更加合理的仿真结果。(3)提出了行人宏观动态运动网络。本部分基于行人Voronoi图和其对偶图Delaunay图,结合跟随行为、绕行行为以及目标行为这三类选择行为路径,构建了行人的宏观动态运动网络。该运动网络可以反映行人的宏观路径选择行为。与此同时,本部分还构建了基于该运动网络的宏微观动力学模型,集成了行人的微观速度选择行为与宏观路径选择行为。该模型在处理复杂场景中的行人冲突和宏观路径导航等方面能够得到更加真实合理的仿真结果。(4)组织并研究了行人圆环对跖点实验。行人圆环对跖点实验具备有一般对称的实验环境和剧烈冲突的实验条件,有助于行人冲突避让机制和路径导航行为的研究。通过对行人轨迹的量化研究分析发现:1)实验行人倾向于右侧行走;2)行人路径长度分布服从于对数正态分布,行人路径潜能分布服从于指数分布,旅行时间和个体速度分布服从于正态分布;3)实验中路径长度较长的行人走行时间较短,而路径长度较短的行人却需要花费较长的走行时间。(5)设计并测试了行人模型的宏观参数评价体系。基于行人圆环对跖点实验的剧烈冲突和一般对称特性,设计了一套行人模型的宏观参数评价体系。该评价体系主要包括行人路径长度分布、路径潜能分布、旅行时间分布、个体速度分布、平均速度时间序列和中心距离时间序列这六个评价指标。该体系分别针对分布类指标和时间序列类指标设计了基于K-S(Kolmogorov-Smirnov)检验和基于DTW(Dynamic Time Warping)方法的评价方法。通过社会力模型和启发式模型的测试研究发现,该评价体系可以用于评价行人模型并且反映行人模型之间的一般差异。(6)开发了一个行人动力学仿真和分析系统。行人动力学仿真和分析系统融合了模拟仿真和实证分析这两类行人动力学研究方法,可以实现1)基于行人动力学模型的实时可视化模拟仿真。通过初始化行人状态和场景布设,基于传统模型或者自定义模型不断更新行人运动状态,实时观测行人模型的仿真结果;2)基于行人轨迹数据的可视化研究分析。通过导入实测的或者仿真的行人轨迹,研究分析行人运动的相关特征。该开源的行人动力学仿真和分析系统的开发可以为行人动力学建模研究和行人运动理论研究提供帮助。