自由换道行为是城市快速路中频繁发生、普遍存在的现象。它比强制性换道更具随机性、突发性,通常难以被周围车辆所预知。且持续过程较短,目标车道后方车辆难以及时采取安全、高效的应对措施。这往往会给交通流带来严重干扰,可能引起交通阻塞甚至交通事故。因此,为缓解自由换道行为对交通流的干扰,提高行车安全性,本文针对各驾驶群体,从驾驶员认知心理学、微观行为学等方面对自由换道决策行为展开研究。首先,对自由换道情景进行了描述,分析了自由换道行为发生的动机和条件,讨论了交通条件、驾驶员特性对自由换道决策行为的影响。在此基础上,将车辆运动状态、驾驶风格作为自由换道建模决策变量。其次,根据本文研究对象设计了数据采集方案,通过视频检测法采集了车辆运动数据。借助Simi Motion平台,提取了940组车辆的运动状态数据,并采用多步滤波法和基于对称指数移动平均法的改进两步重建法进行数据清洗。在此基础上,对自由换道持续时间进行统计分析,得到了自由换道持续时间的分布规律。再次,将全速度差模型应用到换道情景中,提出了换道车辆及目标车道后车的加速度计算方法,建立了自由换道安全间距模型。在此基础上,用数值模拟的方法分析了换道最小安全间距与相关车辆运动状态、换道持续时间的关系,得到了不同情景下安全换道参考距离和换道持续时间安全范围。此外,还建立了跟驰最小安全间距模型。然后,选取了三个能够表征驾驶风格的特征变量。采用谱聚类算法对驾驶风格进行聚类,将驾驶风格分为保守型、温和型、激进型。并进一步分析了各类驾驶风格的换道持续时间差异。结果表明:保守型、温和型、激进型驾驶风格对应的平均换道持续时间依次减小,但不同驾驶风格之间的差别很小,驾驶风格对换道持续时间没有显著影响。最后,应用累积前景理论,针对不同的驾驶风格分别建立了以自由换道最小安全间距、跟驰最小安全间距为参考点,加速空间为效用的自由换道决策模型。并对模型进行了参数标定和性能评估,发现其比完全理性下的传统随机效用模型有更高的预测精度:86.30%。更进一步,分析了车辆运行状态变化对自由换道决策行为的影响。然后,结合本文的研究成果,提出了自由换道预警系统的开发构想。