Frederik Platten

Analysis of Mental Workload and Operating Behavior in Secondary Tasks while Driving

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Kurzfassung in Englisch

In this thesis, situations were analyzed in which drivers operate infotainment systems (IVIS) while driving. In this, the focus lay on such situations in which drivers operated these secondary tasks successfully. Following that, a resource orientated approach was chosen in contrast to the focus of many other studies. Demonstrating the negative effects of secondary tasks while driving was less central in this thesis. Rather, everyday behavior adaptations were analyzed that enabled drivers to operate secondary tasks successfully while driving. Therefore these adaptations were measured with regards to the following three factors: driving task, secondary task and mental workload. Additionally the influence of several secondary task attributes was analyzed. Thereby especially the perceived interruptibility was researched in detail.
The thesis contains 3 different parts: 1. Introduction to research field, 2. Empiric part and 3. Overall discussion. In the first part an introduction and an overview of the current research concerning secondary task operation while driving is presented. The second part contains 3 studies, each presented in manuscript form.
The goal of the first study was to show basic behavior adaptations in a driving simulator study that enables drivers to operate secondary tasks while driving. Thereby it became obvious that drivers adapted their driving behavior as well as their activity in the secondary task dynamically to the specific situation. The driving task was prioritized thereby. The adaptations were dependent on the current as well as the anticipated development of the situations and correspondingly sensitive to the variation of a cue to a hazardous driving situation. If drivers were warned (and thereby an anticipation was possible), they reduced especially their activity in the secondary task.
In the second study the influence of mental workload and the attributes of a secondary task were analyzed in-depth. Drivers were informed by a noise signal either about an upcoming unknown driving situation or about an upcoming speed reduction situation in this study. It could be shown that if a secondary task can be interrupted without a perceived decline in performance, it is interrupted in demanding driving situations. If an interruption causes a perceived performance loss, the task is interrupted less often, and so the workload is increased (measured with a physiological measurement). Thus, drivers compensate their current demands by behavior adaptations in different factors, depending on the characteristics of a secondary task. The interaction between driving task, secondary task and workload could be proven by this research. Only if a secondary task could be interrupted without a perceived loss of performance drivers interrupted the task before a hazardous situation was reached.
In line with the findings from the studies above a setting was developed for the third study that is less bound to the simulation of complex driving situations and thereby independent from specific driving simulator settings. Nevertheless the anticipation of further driving situations and the option to adapt behavior was given to the drivers by the setting to measure the effects described above. Additionally secondary tasks were analyzed that have a high comparability to common IVIS. Thus, a focus was on the influence of tasks that require time critical inputs. As expected, in tasks with time critical inputs the activity was less often reduced, even if a demanding driving situation was announced. Thereby another influencing factor to the perceived interruptibility of secondary tasks could be analyzed.
In the presented studies it was shown that drivers anticipate the further development of a situation and adapt their activity in the secondary task dynamically due to several characteristics of this task. For the future evaluation of IVIS, methodological requirements were deduced from the presented studies and a possible setting for further research was discussed.

Kurzfassung in Deutsch

In dieser Dissertation werden Situationen untersucht, in denen Fahrer während der Fahrt Infotainmentsysteme (In- Vehicle Infotainment Systeme, kurz IVIS) bedienen. Hierbei wird der Fokus auf Situationen gelegt, in denen Fahrer erfolgreich Nebenaufgaben bearbeiten. Im Gegensatz zu einer Vielzahl von anderen Studien wird hier ein ressourcenorientierter Ansatz gewählt. Im Mittelpunkt steht demnach weniger der Nachweis von Leistungseinbußen in der Fahraufgabe durch zusätzliche Aufgaben. Es wird im Gegensatz dazu herausgearbeitet, durch welche alltäglichen Verhaltensanpassungen Fahrer in der Lage sind, Aufgaben zusätzlich zur Fahraufgabe erfolgreich zu bearbeiten. Dazu werden diese Verhaltensanpassungen messbar gemacht. Ein Hauptaugenmerk wird dabei auf die Faktoren Fahraufgabe, Nebenaufgabe und die mentale Beanspruchung gelegt. Des Weiteren wird der Einfluss verschiedener Nebenaufgaben auf das Verhalten analysiert. Dabei wird insbesondere die wahrgenommene Unterbrechbarkeit der Nebenaufgaben detailliert untersucht.
Die Arbeit besteht aus 3 Teilen: 1. Hintergrund des Forschungsfeldes, 2.Experimentalteil und 3. zusammenfassende Diskussion. Im ersten Teil der Arbeit wird zunächst eine Einführung in das Forschungsfeld gegeben und anschließend ein Überblick über den aktuellen Forschungsstand in Bezug auf Zweitaufgabenbearbeitung während der Fahrt. Im Experimentalteil werden 3 Studien präsentiert, die im Rahmen dieser Arbeit durchgeführt wurden (jeweils in Form einer Veröffentlichung).
In der ersten Studie war das Ziel grundlegende Verhaltensanpassungen in einer Fahrsimulationsstudie nachzuweisen, die es Fahrern ermöglichen Nebenaufgaben erfolgreich während der Fahrt zu bearbeiten. Dabei wurde deutlich, dass Fahrer ihr Fahrverhalten und ihre Eingabeaktivität in einer Nebenaufgabe der jeweiligen Situation dynamisch anpassen. Die Fahraufgabe wurde dabei priorisiert. Die Verhaltensanpassungen waren sowohl abhängig von der aktuellen, als auch von der antizipierten Situation und zeigten sich demnach abhängig von der Variation eines Hinweisreizes auf eine kritische Verkehrssituation. Als die Fahrer vor einer möglichen Gefahr gewarnt wurden (sie diese also antizipieren konnten), wurde insbesondere die Aktivität in der Nebenaufgabe reduziert.
In der daran anschließenden Studie wurde die Rolle der Beanspruchung im Zusammenhang mit den Eigenschaften der Nebenaufgabe näher untersucht. Probanden wurden mithilfe eines Tons entweder auf eine bevorstehende, unbekannte Fahrsituation oder auf eine bevorstehende Geschwindigkeitsreduktion hingewiesen. Es konnte gezeigt werden, dass Fahrer in Situationen, in denen sie den weiteren Fahrverlauf antizipieren und die Nebenaufgabe ohne wahrgenommenen Leistungsverlust unterbrechen konnten, signifikant weniger bedienten. Im Gegensatz dazu zeigte sich in Nebenaufgaben, deren Unterbrechung einen direkten Leistungsverlust nach sich zog, dass Fahrer auch in kritischen Situation gleich viel bedienten. Dieses Verhalten wurde durch eine höhere Anstrengung kompensiert (gemessen mit einem physiologischen Beanspruchungsmaß). Der Zusammenhang der drei Faktoren Fahraufgabe, Nebenaufgabe und Beanspruchung wurde hierbei deutlich. Des Weiteren konnte der Einfluss der Eigenschaften der Nebenaufgaben deutlich gemacht werden: Nur wenn die Unterbrechung der Nebenaufgabe keinen direkten Leistungsverlust zur Folge hatte, wurde diese bereits vor dem Auftreten einer kritischen Situation unterbrochen.
Basierend auf den Ergebnissen der ersten beiden Studien wurde für die dritte Studie ein vereinfachtes Setting entwickelt, das weniger auf der Simulation komplexer Fahrsituationen basiert, mithilfe dessen jedoch dennoch die relevanten Effekte messbar sein sollen. Dadurch wird das Setting unabhängiger von einer bestimmten Simulationsumgebung. Dabei wurde den Probanden sowohl ermöglicht relevante Fahrsituationen zu antizipieren als auch ihr Verhalten daran anzupassen. Des Weiteren wurden Nebenaufgaben analysiert, die ähnliche Bedieneingaben erforderten wie gebräuchliche IVIS, und die zum Teil zeitkritische Eingaben erforderten. Wenn Eingaben zeitkritisch gemacht werden mussten, wurde die Nebenaufgabe erwartungsgemäß seltener unterbrochen, auch wenn eine kritische Fahrsituation angekündigt wurde. Dadurch wurde ein weiterer Einflussfaktor auf die wahrgenommene Unterbrechbarkeit von Aufgaben in Fahrsituationen untersucht.
In den vorliegenden Studien konnte gezeigt werden, dass Fahrer den weiteren Verlauf von Fahrsituationen antizipieren und ihre Aktivität in einer Nebenaufgabe dynamisch und in Abhängigkeit zu bestimmten Eigenschaften der Nebenaufgabe anpassen. Für die zukünftige Bewertung von IVIS wurden dabei relevante methodische Rahmenbedingungen herausgearbeitet und ein mögliches Setting vorgestellt.

weitere Metadaten

Schlagwörter
(Deutsch)
Fahrerablenkung, Mentale Beanspruchung
Schlagwörter
(Englisch)
Driver distraction, Anticipation, Compensative behavior, Pupillometry, Mental workload
SWD SchlagworteAngewandte Psychologie, Psychische Belastung
DDC Klassifikation158
Institution(en) 
HochschuleTU Chemnitz
FakultätFakultät für Human- und Sozialwissenschaften
ProfessurAllgemeine und Arbeitspsychologie
BetreuerProf. Josef Krems
GutachterProf. Josef Krems
Prof. Mark Vollrath
DokumententypDissertation
SpracheEnglisch
Tag d. Einreichung (bei der Fakultät)24.09.2012
Tag d. Verteidigung / Kolloquiums / Prüfung20.12.2012
Veröffentlichungsdatum (online)12.02.2013
persistente URNurn:nbn:de:bsz:ch1-qucosa-105221

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