Cooperation in traffic : influence of situational factors in cooperative situations

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Date

2022-12-02

Authors

Stoll, Tanja

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Dissertation

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Abstract

In this publication-based doctoral dissertation, human behavior in cooperative traffic situations is explored by investigating how situational factors influence the way drivers behave in these situations. For the development of cooperatively-interacting vehicles that will be accepted by human drivers, more insight into human behavior in cooperative situations is needed. Therefore, the latest research on cooperation in traffic is presented as well as th recognition-primed decision model. This model is used in an adapted version in this dissertation to investigate lane-change situations on highways, since they belong to the most common and challenging cooperative situations. Based on the results of the studies carried out during the course of this dissertation, implications for automated cooperatively-interacting vehicles are derived. In all six studies presented in this dissertation, participants were taking the perspective of the driver in the fast lane while another vehicle in the slow lane or highway on-ramp wanted to change lanes either due to the end of the on-ramp or due to a slower lead vehicle. By adapting the behavior, participants could choose to facilitate the lane change for the other vehicle. In three initial video-based studies, influential situational factors on the preferred behavior (decelerating, accelerating, maintaining speed, and lane change) in a lane-change situation were investigated. Scope of action, criticality for the changing vehicle, and indicator usage were identified as influential on the preferred behavior and were further investigated in two driving simulator studies. Moreover, it was shown that changing lanes to a faster lane to facilitate an overtaking maneuver for another driver was the preferred option. In the first driving simulator study, participants were instructed to select the preferred behavior, which was then carried out by an automated vehicle. As in the studies before, the scope of action, criticality for the other vehicle and indicator usage were manipulated, which all influenced the preferred behavior. A higher scope of action, a higher criticality, and indicator usage increase the odds of selecting decelerating. In a second driving simulator study, the acceptance of maneuvers carried out by an automated vehicle was focused. Again the scope of action, criticality for the changing vehicle and indicator usage were manipulated. Additionally, a cognitive secondary task was introduced to distract participants in half of the cases to investigate how distraction influences the acceptance of the automated vehicle's behavior. Overall, the acceptance was high but maintaining or accelerating the speed was less accepted than decelerating, especially when the other vehicle communicated the intention to change lanes. In the final study, which was a video study in the driving simulator, the influence of highlighting relevant information of the cooperative situation on the preferred behavior was investigated. Based on the results of the earlier studies, information in the environment was highlighted, e.g., the planned maneuver of the other vehicles using an augmented reality display. Highlighting the intentions regarding the planned maneuver leads to the highest willingness to adapt the behavior to meet the intention of the other driver. These findings could be useful in the development process of cooperatively-interacting vehicles. The findings of this thesis show that participants were more willing to adapt their behavior if they recognize the necessity: If the criticality for the cooperation partner increased because the distance in time and space towards a leading vehicle was small, the willingness to adapt the behavior was higher compared to situations in which this distance was high. Additionally, the communication of the intention increases the willingness to adapt the behavior. Moreover, the willingness to adapt was higher in mandatory lane changes in which the vehicle had to change lanes because the current lane was ending compared to discretionary lane changes in which the vehicle wanted to overtake a slow driving truck. Additionally, the results help to gain into the process of decision-making when facing cooperative situations. Furthermore, results show drivers’ expectations regarding automated behavior in cooperative situations, which should be addressed when designing cooperatively-interacting vehicles and the corresponding human-machine interfaces.
In dieser publikationsbasierten Dissertation wird das menschliche Verhalten in kooperativen Verkehrssituationen erforscht, indem untersucht wird, wie situative Faktoren das Verhalten Fahrender in diesen Situationen beeinflussen. Für die Entwicklung kooperativ-interagierende Fahrzeuge, die von menschlichen Fahrenden akzeptiert werden, benötigtes tieferes Wissen über menschliches Verhalten in kooperativen Situationen. Daher wird der aktuelle Stand der Forschung zur Kooperation im Straßenverkehr so wie ein angepasstes erkennungsbasiertes Entscheidungsmodell vorgestellt, dass genutzt wird um das Verhalten in Suprwechselsituationen auf der Autobahn zu untersuchen, bei der es sich um eine den häufigsten und anspruchsvollsten kooperativen Situationen handelt. Aus den Ergebnissen der im Rahmen dieser Dissertation durchgeführten Studien werden Implikationen für automatisierte kooperativ-interagierende Fahrzeuge abgeleitet. In allen sechs Studien, die in dieser Dissertation vorgestellt werden, nahmen die Teilnehmenden die Perspektive der fahrenden Person auf der linken Überholspur ein, während ein anderes Fahrzeug auf der langsameren rechten Spur oder der Autobahnauffahrt die Spur wechseln wollte: entweder aufgrund des Endes der Auffahrtsspur oder aufgrund eines langsameren Vorderfahrzeugs. Durch Anpassung ihres Verhaltens konnten die Teilnehmenden sich entscheiden, ob sie dem anderen Fahrzeug den Spurwechsel erleichtern möchten. In drei ersten videobasierten Studien wurden die situativen Einflussfaktoren auf das bevorzugte Verhalten (Abbremsen, Beschleunigen, Geschwindigkeit beibehalten und Spurwechsel) untersucht. Der Handlungsspielraum, die Kritikalität für das wechselnde Fahrzeug und die Nutzung des Fahrtrichtungsanzeigers wurden als Einflussfaktoren auf das bevorzugte Verhalten identifiziert und in zwei Fahrsimulatorstudien weiter untersucht. Darüber hinaus zeigte sich, dass ein Spurwechsel die bevorzugte Option war, um einem anderen Fahrzeug ein Überholmanöver zu ermöglichen. In der ersten Fahrsimulatorstudie wurden die Teilnehmenden instruiert, das bevorzugte Verhalten zu wählen, das dann von einem automatisierten Fahrzeug ausgeführt wurde. Wie zuvor wurden der Handlungsspielraum, die Kritikalität für das andere Fahrzeug und die Verwendung des Fahrtrichtungsanzeigers manipuliert, die alle das bevorzugte Verhalten beeinflussten. Ein größerer Handlungsspielraum, eine höhere Kritikalität und die Verwendung des Fahrtrichtungsanzeigers erhöhen die Wahrscheinlichkeit, dass Abbremsen bevorzugt wird. In einer zweiten Fahrsimulatorstudie wurde die Akzeptanz von Manövern untersucht, die von einem automatisierten Fahrzeug ausgeführt werden. Auch hier wurden der Handlungsspielraum, die Kritikalität für das spurwechselnde Fahrzeug und die Verwendung des Fahrtrichtungsanzeigers manipuliert. Zusätzlich wurde in der Hälfte der Fälle eine kognitive Nebenaufgabe zur Ablenkung eingeführt, um zu untersuchen, wie diese die Akzeptanz des Verhaltens des automatisierten Fahrzeugs beeinflusst. Insgesamt zeigte sich eine hohe Akzeptanz. Allerdings wurde die Konstanthaltung der Geschwindigkeit und das Beschleunigung weniger akzeptiert als eine Verlangsamung der Geschwindigkeit, insbesondere wenn das andere Fahrzeug die Absicht eines Spurwechsels mitteilte. In der letzten Studie, bei der es sich um eine Videostudie im Fahrsimulator handelte, wurde der Einfluss der Hervorhebung relevanter Informationen der kooperativen Situation auf das bevorzugte Verhalten untersucht. Basierend auf den Ergebnissen der vorangegangenen Studien wurden Informationen in der Umgebung mittels eines Augmented-Reality-Displays hervorgehoben, wie z. B. das geplante Manöver der anderen Fahrzeuge. Die Hervorhebung der Absichten bezüglich des geplanten Manövers führt zu der höchsten Bereitschaft, das eigene Verhalten an die Absicht der anderen fahrenden Person anzupassen. Die Ergebnisse können hilfreich im Entwicklungsprozess für kooperativ-interagierende Fahrzeuge sein. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, dass die Teilnehmenden eher bereit sind, ihr Verhalten anzupassen, wenn sie die Notwendigkeit dafür erkennen: Nahm die Kritikalität für den Kooperationspartner, weil der zeitliche und räumliche Abstand zu einem vorausfahrenden Fahrzeug gering war, war die Bereitschaft zur Verhaltensanpassung höher als in Situationen, in denen dieser Abstand groß war. Zusätzlich erhöht die Kommunikation der Absicht die Bereitschaft zur Verhaltensanpassung. Darüber hinaus war die Bereitschaft zur Verhaltensanpassung bei obligatorischen Spurwechseln, bei denen das Fahrzeug die Spur wechseln musste, weil das Ende der Auffahrtsspur erreicht wurde, höher als bei diskretionären Spurwechseln, bei denen das Fahrzeug einen langsam fahrenden Lkw überholen wollte. Die Ergebnisse der Arbeit tragen dazu, tiefere Einblicke in den Prozess der Entscheidungsfindung in kooperativen Situationen zu erhalten. Darüber hinaus zeigen die Ergebnisse die Erwartungen fahrende Personen an das automatisierte Verhalten in kooperativen Situationen, die bei der Entwicklung von kooperativ-interagierenden Fahrzeugen und den entsprechenden Mensch-Maschine-Schnittstellen berücksichtigt werden sollten.

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Faculties

Fakultät für Ingenieurwissenschaften, Informatik und Psychologie

Institutions

Institut für Psychologie und Pädagogik

Citation

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SPP 1835 / Kooperativ-interagierende Automobile / 255645177

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Keywords

Automobile driving; Human factors, Lane change, Autonomes Fahrzeug, Fahrstreifenwechsel, Decision making, Automated vehicles, Automobile driving; Lane changing, Automobile driving; Passing, DDC 150 / Psychology, DDC 620 / Engineering & allied operations