Bachelorkolloquium – 30.09.2015 Thema: Bachelorkolloquium - Alina Andree (3019389) Bachelorkolloquium – 30.09.2015 Thema: Die Erprobung eines aufgabenanalytischen Verfahrens zur Beschreibung der motorischen, perzeptuellen und kognitiven Prozesse bei manuell gefahrenen Spurwechseln auf Autobahnen Erstprüfer: Prof. Dr. Rainer Höger Zweitprüfer: Dipl.-Psych. David Käthner

Problemstellung und Hintergrund Bachelorkolloquium - Alina Andree (3019389) Problemstellung und Hintergrund Weiterentwicklung von Fahrerassistenzsystemen um die Sicherheit im Straßenverkehr zu erhöhen  hierfür ist Wissen über das Fahrverhalten und die Fahrerkognition notwendig GOMS-Analysen zur Betrachtung von Interaktionen zwischen Mensch und System zur Vorhersage des Nutzerverhaltens Hierbei steht GOMS für goals, operators, methods und selection rules CPM-GOMS als eine von vier Varianten  Zerlegt parallele Prozesse in ihre elementaren motorischen, kognitiven und perzeptuellen Operatoren Die EU hat es zum Ziel die Anzahl der Verkehrstoten zwischen 2010 und 2020 um 40% zu senken. Da die meisten tödlichen Autounfälle auf außerörtlichen Straßen passieren und Spurwechselmanöver einen großen Anteil der Fahraufgabe auf außerörtlichen Straßen ausmachen, sollte der Fahrer in diesen Verkehrssituationen unterstützt werden. Um die Weiterentwicklung von Fahrerassistenzsystemen zu fördern, ist es Aufgabe der Forschungsinstitute, wie das DLR, Studien durchzuführen, um Kenntnis über das Fahrverhalten bei Spurwechselmanövern zu erlangen. Mangels eines Standardverfahrens zur Erörterung der psychischen Prozesse bei Fahraufgaben, wurde die GOMS Methode verwendet, deren Anwendbarkeit erprobt und beurteilt werden soll. GOMS ist ein aufgabenanalytisches Verfahrens das der Betrachtung der Interaktion zwischen Mensch und System dient und Nutzerverhalten vorhersagen kann. GOMS steht für goals (Ziele die Nutzer verfolgt), operators (Aktionen die zum Erreichen eines Ziels ausgeführt werden), methods (Ketten von Operatoren) und selection rules (Regeln für die Methodenauswahl). Es gibt vier Varianten der GOMS Analyse – im Rahmen dieser Arbeit wurde sich für die CPM-GOMS Variante entschieden, da diese in der Lage ist die parallellaufenden motorischen, perzeptuellen und kognitiven Prozesse bei der Abwicklung von Aufgaben darzustellen. Die Operatoren dieser Prozesse können verschiedenen Ressourcen zugeordnet werden, in diesem Fall: motorischen Ressourcen wie Füße, Hände, Kopf und Augen, perzeptuelle Ressourcen wie das visuelle System und der Kognition. (falls Frage wieso Parallelismus so wichtig: Zusammenspiel von Wahrnehmung, Motorik und Kognition wichtig um Fahrverhalten nachvollziehen zu können)

Forschungsfrage und -Ziele Bachelorkolloquium - Alina Andree (3019389) Forschungsfrage und -Ziele „In welchem Ausmaß eignet sich die CPM-GOMS-Methode für die Beschreibung der parallelen motorischen, perzeptuellen und kognitiven Prozesse bei manuell gefahrenen Spurwechseln auf Autobahnen?“ Forschungsziele: Eignungsbeurteilung der CPM-GOMS-Methode Aufstellung verschiedener Operatoren für motorische und perzeptuelle Prozesse Bestimmung der Eigenschaften der jeweiligen Operatoren Festlegung von Zeitspannen für die jeweiligen Operatoren Erörterung von Gemeinsamkeiten und Unterschieden der Operatoreigenschaften zwischen verschiedenen Spurwechseltypen Da dieses Verfahren bisher keine Anwendung in der Erforschung von Verhaltensweisen bei Fahraufgaben fand, wurde die Forschungsfrage wie folgt formuliert: „In welchem Ausmaß eignet sich die CPM-GOMS-Methode für die Beschreibung der parallelen motorischen, perzeptuellen und kognitiven Prozesse bei manuell gefahrenen Spurwechseln auf Autobahnen?“ Aus dieser Forschungsfrage ergaben sich mehrere Ziele, die es zu erreichen galt: Hauptziel: Eignungsbeurteilung der CPM-GOMS-Methode 2. Aufstellung verschiedener Operatoren für motorische und perzeptuelle Prozesse (motorische Operatoren würden den Rahmen der Arbeit sprengen, somit wird hier nur ein Ausblick auf mögliche Methoden gegeben) 3. Bestimmung der Eigenschaften der jeweiligen Operatoren 4. Festlegung von Zeitspannen für die Operatoren 4. Erörterung von Gemeinsamkeiten/Unterschiede der Operatoreigenschaften zwischen verschiedenen Spurwechseltypen

Methodik I Verwendung eines Messfahrzeugs ausgestattet mit Bachelorkolloquium - Alina Andree (3019389) Methodik I Verwendung eines Messfahrzeugs ausgestattet mit Eye-Tracking-System Smart Eye Pro 6.0 zur Aufzeichnung der Blickbewegungen Sensoren zur Messung und Aufzeichnung der Verkehrsumgebung und der Fahrzeugbedienung Acht Kameras zur Aufzeichnung des Nutzerverhaltens und der Umgebung des Autos Um die Ziele der Arbeit zu erreichen, wurde das Fahrverhalten bei Spurwechselmanövern mithilfe des Messfahrzeugs des DLR‘s aufgezeichnet. Das ViewCar war ausgestattet mit dem Eye-Tracking-System Smart Eye Pro 6.0, verschiedenen Sensoren zur Messung und Aufzeichnung der Verkehrsumgebung und der Fahrzeugbedienung. Zusätzlich wurden acht Kameras in das Fahrzeug eingebaut, welche das Nutzerverhalten und die Umgebung filmen sollten. Grafik veranschaulicht wo sich die Kameras befanden (orange drinnen und rot außen) mit a) Sicht auf den Fahrer und dessen Hände am Lenkrad von der Kopfstütze des Beifahrers aus, b) Sicht auf den Fahrer vom Armaturenbrett vorne links aus, c) Sicht in den Rückspiegel von der Decke aus und somit aus derselben Höhe wie die Augen des Fahrers, d) Sicht in den Fußraum des Fahrers, e) Sicht wie die des linken Außenspiegels, f) Sicht nach hinten von rechts oben außerhalb des Fahrzeugs aus, g) Sicht nach vorne aus dem Fahrzeug und h) Sicht nach hinten aus dem Fahrzeug.

Methodik II VPn: 3 Aufzeichnungen auf den Bachelorkolloquium - Alina Andree (3019389) Methodik II VPn: 3 Aufzeichnungen auf den Autobahnen BAB 2 (dreispurig) und BAB 39 (zweispurig) Auswertung von jeweils 3 Spurwechseln auf der A39 Beschleunigungsstreifen – Rechter Fahrstreifen (1) Rechter Fahrstreifen – Linker Fahrstreifen (2) Linker Fahrstreifen – Rechter Fahrstreifen (3) von drei verschiedenen Versuchspersonen. Diese Aufzeichnung fanden sowohl auf einer zweispurigen, als auch auf einer dreispurigen Autobahn statt, wobei sich bei der Auswertung für die Daten der zweispurigen Autobahnen entschieden wurde, da das Fahrverhalten auf einer dreispurigen Autobahn durch zu viele Reize beeinflusst werden könnte. Von jeder Versuchsperson wurden das Fahrverhalten von drei unterschiedlichen Spurwechselmanövern ausgewertet: Beschleunigungsstreifen auf den rechten Fahrstreifen (1), Rechten Fahrstreifen auf den linken Fahrstreifen (2), Linker Fahrstreifen auf den rechten Fahrstreifen (3). Die Auswertung wurde mithilfe von Excel und R durchgeführt.

Datenaufbereitung und -auswertung Bachelorkolloquium - Alina Andree (3019389) Datenaufbereitung und -auswertung Datenaufbereitung und -Auswertung erfolgte mit den Softwareprogrammen Dominion Date Store Control Center, Microsoft Excel, R und VLC Media Player Aufstellung der Operatoren für jede Ressource mittels unterschiedlichen Variablen der ViewCar-Daten und Betrachtung der Videodaten Umgebungsmatrix für die Aufstellung der Operatoren des visuellen Systems Bestimmung der Operatorlängen mithilfe der ViewCar-Daten oder der Videoframes Auswertung der Operatoren pro Spurwechselmanöver mittels Microsoft Excel Spalten: Repräsentieren die verschiedenen Ressourcen und die Komponenten der Umgebungsmatrix Zeilen: Repräsentieren eine Millisekunde Die Datenaufbereitung und –auswertung erfolgt mit den Softwareprogrammen Dominion Date Store Control Center, zur Auswertung der Fahrzeugrohdaten, Microsoft Excel, Statistikprogramm R und VLC Media Player. Die Operatoren der einzelnen motorischen Ressourcen konnten mithilfe unterschiedlicher Variablen der ViewCar-Daten und der Videodaten aufgestellt werden. Da die visuellen Prozesse nicht nach dem gleichen Schema aufgestellt werden konnten, musste die Umgebung reproduziert und mithilfe der Augenbewegungen Rückschlüsse auf die perzeptuelle Operatoren ziehen zu können. Hierfür wurde eine Umgebungsmatrix erstellt. So konnten je nach betrachteten Objekten und deren Attribute die Operatoren festgelegt werden. Die Operatorlängen wurden entweder mithilfe der ViewCar-Daten oder der Videoframes festgelegt. Danach konnten die Operatoren in eine Exceltabelle abgetragen werden, wobei in die Spalten die jeweilige Ressourcen abgetragen wurden und die Zeilen jeweils eine Millisekunde repräsentierten.

Bachelorkolloquium - Alina Andree (3019389) Deskriptive Analyse I Fokus lag in der Betrachtung der allgemeinen Operatoreigenschaften und deren Gemeinsamkeiten/Unterschiede bei den verschiedenen Spurwechseltypen Die Analyse ergab: Stabile Zeitspannen für Operatoren der Augen und des Kopfes wie beispielsweise „Augen in Richtung Rückspiegel halten“ (MW = 535 ms; SD = 199) oder „Augen in Richtung Schulterblick halten“ (MW = 540 ms; SD = 168) Variable Zeitspannen für Lenkoperatoren und Operatoren der Geschwindigkeitsregulierung  Zerlegung der Operatoren notwendig Unterschiede der Operatordauern und deren Häufigkeiten bei den verschiedenen Spurwechseltypen Auf die Auswertung der Operatoren folgt eine deskriptive Analyse der Daten. Hierbei lag der Fokus in der Betrachtung der allgemeinen Operatoreigenschaften und in der Ermittlung von Gemeinsamkeiten und Unterschiede der Operatoreigenschaften bei den verschiedenen Spurwechseltypen. Hierbei ergaben sich relativ stabile Zeitspannen für manche Operatoren der Augen und des Kopfes. Z.B. für die Operatoren „Augen in Richtung Rückspiegel halten“ mit einer durchschnittlichen Dauer von 535ms (SD=199) und „Augen in Richtung Schulterblick halten“ mit MW = 540ms (SD=168). Für die Operatoren der Hände, bei denen es sich zum größten Teil um Lenkoperatoren handelt, und den Operatoren des rechten Fuß zur Geschwindigkeitsregulierung waren keine stabilen Zeitspannen erkennbar. Diese Operatoren sollten zukünftig weiter zerlegt werden, damit auch für sie feste Zeitspannen festgelegt werden können. Außerdem wurden Unterschiede der Operatordauern und deren Häufigkeiten bei den verschiedenen Spurwechseltypen festgestellt.

Bachelorkolloquium - Alina Andree (3019389) Die Häufigkeits- verteilungen der Operatordauern der Augen pro Spurwechseltyp und Phase Als Beispiel sind hier die Häufigkeitsverteilungen der Operatordauern der Augen pro Spurwechseltyp und Phase zu sehen. Zu erkennen ist unter anderem, dass die Dauer des Operators „Linker Außenspiegel“ bei dem Spurwechseltyp 1 wesentlich länger ausfällt als bei Spurwechseltyp 2. Außerdem wird er während 1 in allen drei Phasen eingesetzt, während er bei 2 nur in der Phase vor dem eigentlichen Spurwechsel auftritt. Der Schulterblickt fällt bei Spurwechseltyo 3 wesentlich kürzer aus und findet außer bei Spurwechseltyp 1 jeweils nur in der Phase 1 statt. Dass er bei Spurwechseltyp 1 auch in der letzten Phase auftritt, könnte daran liegen, dass der zweite Spurwechseltyp bei allen drei Versuchspersonen relativ schnell nach dem ersten stattfand. Weiter ist zu erkennen, dass der Rückspiegel bei Spurwechseltyp 3 länger genutzt werde, was dahingehend interpretiert werden kann, dass, er teilweise den Blick in den rechten Außenspiegel ersetzt (vgl. Dauern linker Außenspiegel – Rückspiegel bei den anderen beiden Typen)

Diskussion CPM-GOMS-Methode grundsätzlich geeignet, da Bachelorkolloquium - Alina Andree (3019389) Diskussion CPM-GOMS-Methode grundsätzlich geeignet, da Aufstellung der Operatoren für die motorischen und perzeptuellen Prozesse mittels ViewCar-Daten, Videodaten und Umgebungsmatrix möglich Bestimmung der Operatoreigenschaften möglich Erörterung von Gemeinsamkeiten und Unterschieden bei den verschiedenen Spurwechseltypen möglich Darstellung der parallelen Prozesse möglich zukünftiger Aufwand geringer, da viele Operatoren und Umgebungsmatrix bereits besteht ABER: Aufwand für die Erarbeitung kognitiver Operatoren hoch Implikationen für zukünftige Arbeiten Zerlegung der Geschwindigkeitsregulierungs- und Lenkoperatoren Verwendung der Think-Aloud-Methode Verwendung eines Eye-Tracking-Systems das neben dem Blickverhalten auch die Fahrzeugumgebung und den Verkehr aufzeichnet Die Forschungsfrage kann dahingehend beantwortet werden, dass sich die CPM-GOMS-Methode grundsätzlich eignet um das Fahrverhalten bei Fahraufgaben darzustellen. Es war möglich die Operatoren für die motorischen und perzeptuellen Prozesse aufzustellen und deren Eigenschaften zu bestimmen. Auch Gemeinsamkeiten und Unterschiede der Operatoreigenschaften der verschiedenen Spurwechseltypen konnten erörtert werden. Wichtiger Indikator dafür, dass sich Methode eignet, ist, dass sie in der Lage ist die parallelen Prozesse darzustellen. Allerdings war ihr Aufwand mit 10 Wochen Vollzeit Bearbeitung relativ hoch, wobei er bei zukünftigen Arbeiten geringer ausfallen wird, da viele der Operatoren und auch die Umgebungsmatrix bereits bestehen. Allerdings wird die Auswertung mehr Zeit in Anspruch nehmen, wenn zukünftig auch die kognitiven Operatoren aufgestellt und ausgewertet werden sollen. Für zukünftige Arbeiten empfiehlt es sich die Geschwindigkeitsregulierungs- und Lenkoperatoren zu zerlegen, damit auch für sie feste Zeitspannen ermittelt werden können. Wenn es Ziel ist auch die kognitiven Operatoren aufzustellen, könnte die Think-Aloud-Methode hilfreich sein um die kognitiven Prozesse besser verstehen zu können. Außerdem sollte ein Eye-Tracking-System verwendet werden, das neben dem Blickverhalten auch die Fahrzeugumgebung und den Verkehr aufzeichnet, da die Umgebungsrepräsentation dadurch vereinfacht wird. Abschließend ist zu sagen, dass die CPM-GOMS Methode zukünftig ein gutes Verständnis von Fahrverhalten und Fahrerkognition liefern könnte, sofern einige Verbesserungsvorschläge umgesetzt werden und sie somit der Weiterentwicklung von Fahrerassistenzsystemen dienen kann.

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Bachelorkolloquium - Alina Andree (3019389) Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!