A cognitive approach of understanding anticipation in dynamic traffic situations

Abstract

Anticipation is a basic human skill allowing people to travel safely and with foresight on the road. This cognitive ability can be improved through experience, training, and specific support systems. For these enhancements to succeed, there is a need to understand the underlying information processing procedures and identify factors that promote or inhibit anticipation. The process of anticipation is based on developing an adequate mental representation of the situation by integrating perceived environmental information and knowledge from long-term memory. The key to this is perceiving and processing specific, situational characteristics from the environment that activate existing knowledge structures.

This cumulative thesis focuses on investigating these cognitive processes relating to anticipatory driving, particularly examining selected environmental characteristics and retrieval cues in the presence of specific individual and situational influencing factors. In the course of this thesis, I proposed and refined a retrieval cue characterization determined by coherence, perceived causality, spatial proximity, and contingency. The characterization allows for the discrimination of situational cues based on underlying cognitive processes. Furthermore, it provides the basis for derivating and investigating multiple hypotheses published in four peer-reviewed scientific articles.

To investigate the process of anticipation, I selected objective measures of response and psychophysiology, as well as subjective ratings. A two-stage response scheme was developed, tested and extended. The metacognitive process of subjective confidence regarding one’s anticipation was addressed by recording (1) initial anticipation under high uncertainty and (2) the certain anticipation of an event by applying a tactile response. The first two studies (I & II) investigated the influence of cognitive load and experience on the processing of situational characteristics and related retrieval cues in lane change anticipation. In study III, the focus was on uncertainty reduction through anticipation, supported by reduced psychophysiological activity when people were confident in their anticipation. Study IV examined the effect of cue compatibility, linking anticipation and behavioral intention.

The findings from all studies were incorporated into a revised version of the retrieval cue characterization. Furthermore, recommendations were made for more in-depth investigations of the anticipation process, especially considering confidence and uncertainty. Based upon this, future research ideas were proposed and practical applications in training or human-machine interfaces addressed that assist humans in anticipatory driving.

Antizipation ist eine grundlegende menschliche Fähigkeit, die sichere und vorausschauende Fortbewegung im Straßenverkehr ermöglicht. Diese kognitive Fähigkeit kann durch Erfahrung, Training und spezifische Unterstützungssysteme verbessert werden. Zur erfolgreichen Implementierung solcher Maßnahmen, müssen die zugrundeliegenden Informationsverarbeitungsprozesse verstanden und Faktoren ermittelt werden, die den Prozess der Antizipation fördern oder hemmen. Dieser Prozess basiert auf der Entwicklung einer adäquaten mentalen Repräsentation der Situation durch die Integration von wahrgenommenen Informationen aus der Umgebung und Wissen aus dem Langzeitgedächtnis. Entscheidend ist die Wahrnehmung und Verarbeitung spezifischer, charakteristischer Reize aus der Umwelt, die vorhandene Wissensstrukturen aktivieren.

Die vorliegende kumulative Dissertation befasst sich mit der Untersuchung dieser kognitiven Prozesse im Zusammenhang mit dem vorausschauenden Fahren. Insbesondere wird die Untersuchung spezifischer Umgebungsinformationen und Abrufreize in Abhängigkeit von ausgewählten individuellen und situativer Einflussfaktoren betrachtet. Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine Charakterisierung von Abrufreizen vorgenommen und erweitert, die durch Kohärenz, wahrgenommene Kausalität, räumliche Nahe und Kontingenz bestimmt wird. Diese Charakterisierung ermöglicht die Unterscheidung von situativen Reizen auf der Basis der zugrunde liegenden kognitiven Prozesse. Darüber hinaus bildet sie die Grundlage für die Ableitung und Untersuchung mehrerer Hypothesen, die in vier wissenschaftlichen Forschungsartikeln mit Peer-Review Verfahren veröffentlicht wurden.

Zur Untersuchung des Antizipationsprozesses, wurden objektive Reaktions- und psychophysiologische Maße, sowie subjektive Bewertungen ausgewählt. Ein zweistufiges Reaktionsschema wurde entwickelt, getestet und erweitert. Der metakognitive Prozess der subjektiven Sicherheit hinsichtlich der eigenen Antizipation wurde einbezogen, indem (1) die anfängliche Antizipation unter hoher Unsicherheit und (2) die sichere Antizipation eines Ereignisses durch Tastendruck aufgezeichnet wurden. Die ersten beiden Studien (I & II) untersuchten den Einfluss von kognitiver Belastung und Erfahrung auf die Verarbeitung von situativen Merkmalen und zugehörigen Abrufreizen hinsichtlich der Antizipation eines Fahrspurwechsels. In Studie III lag der Schwerpunkt auf der Verringerung der Unsicherheit durch Antizipation. Dabei ging eine hohe Sicherheit der Antizipation einher mit einer verringerten psychophysiologischen Aktivität. Studie IV untersuchte die Auswirkung der Kompatibilität von Abrufreizen und stellte eine Verbindung zwischen Antizipation und Verhaltensabsichten her.

Die Erkenntnisse aus allen Studien wurden in eine überarbeitete Version der Charakterisierung von Abrufreizen eingearbeitet. Darüber hinaus wurden Empfehlungen für vertiefende Untersuchungen des Antizipationsprozesses ausgesprochen, insbesondere unter Berücksichtigung von Vertrauen und Unsicherheit. Darauf aufbauend wurden zukünftige Forschungsideen vorgeschlagen und praktische Anwendungen für Fahrertrainings oder Mensch-Maschine Schnittstellen aufgezeigt, die Menschen beim vorausschauenden Fahren unterstutzen.