Microscopic and Mesoscopic Traffic Models

5.2.2
Lane-Changing Models
While car-following models have the main objective of representing the longitudinal
interactions among vehicles inside the traffic flow, lane-changing models are instead
devoted to describe lateral interactions on the road. These two primary modelling
tasks have often been treated separately, even if they are two fundamental compo-
nents of the microscopic traffic flow modelling theory. Although car-following mod-
els have been widely studied for many years, lane-changing aspects have received
some attention only in recent years [
64
–
66
]. This recent interest in lane-changing
behaviours has been mainly due to the increasing evidence of their negative impact
on traffic safety and traffic congestion.
The impact of lane-changing movements on traffic safety was investigated in some
works, such as in [
67
,
68
]. Many studies show that the stress of drivers significantly

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Microscopic and Mesoscopic Traffic Models
increases during lane-changing manoeuvres, thus making them more error-prone
and dangerous. Moreover, the lane-changing process plays a role in capacity drop
phenomena related to bottleneck discharge rate reduction at the onset of congestion
[
69
] and also in the formation and propagation of stop-and-go oscillations [
70
,
71
].
More recently, in [
72
] it has been shown that lane changing is a primary trigger of
oscillations and is responsible for transforming minor and localised oscillations into
substantial disturbances.
Research efforts to represent the lane-changing aspects have rapidly increased over
the last decade. The main lane-changing models in the literature can be distinguished
into two groups: models related to the lane-changing decision-making process (i.e.
how a driver reaches the lane-changing decision), and models devoted to quantify
the impact of lane-changing behaviours on surrounding vehicles. It can be noted that
a comprehensive lane-changing model should take into account both these aspects
together with car-following behaviours in order to fully represent the dynamics of
vehicles, but a widely recognised modelling tool covering all these aspects is not yet
available [
66
].
The different models developed in the literature differentiate for the way in which
they represent the lane-changing decision-making process, but, in any case, they
must take into consideration the interactions of the vehicle aiming to change lane
with the other vehicles in the surroundings. In particular, as shown in the scheme
presented in Fig.
5.2
, let us consider the lane changer vehicle, denoted as LC, which
is travelling in the lane called initial lane and would like to move to the so-called
target lane. Vehicle LC has to interact, in some way, with the preceding vehicle (i.e.
the leader) and the following vehicle (i.e. the follower) in the initial lane, denoted
as L
I
and F
I
, respectively, and with the preceding and following vehicle in the target
lane, denoted as L
T
and F
T
, respectively.
The lane-changing decision-making process is based on several factors, one of
which is the so-called gap acceptance process which precedes an overtaking manoeu-
vre. In this process, a driver who wants to overtake a vehicle preceding him estimates
both the space he needs and the available space. On the basis of the comparison
between required and available space, the driver decides whether to start the lane-
changing manoeuvre or not. Several gap acceptance models are present in the liter-
Initial lane
Target lane
Follow gap
Lead gap
LC
L
I
F
I
L
T
F
T