Driving without Awareness (DWA) - Eine Simulatorstudie zur Aufmerksamkeit während der Autofahrt

Diplomarbeit von Andreas Schulz

Einleitung:

Der Beginn der Automobilisierung lässt sich auf das Jahr 1860 festlegen. Damals baute der Belgier Etienne Lenoir den ersten Gasmotor. Es sollte noch 26 Jahre dauern bis am 3. Juli 1886 Karl Benz seinen „Patent-Motorwagen“ auf der Ringstraße in Mannheim ausprobierte. Erstmals legte ein Automobil eine Wegstrecke mit eigener Kraft zurück. Zu dieser Zeit konnte noch keiner erahnen, wie rasant der technische Fortschritt auf diesem Gebiet vonstatten gehen würde. Seitdem hat das Kraftfahrzeug unsere Lebensführung in Beruf und Freizeit massiv verändert. Wohl kaum eine andere Erfindung hatte größeren Einfluss auf die menschliche Geschichte ausgeübt. Inzwischen erreicht der Individualverkehr in der Bundesrepublik einen Anteil von rund 80% an der gesamten Verkehrsleistung. In den USA, bedingt durch dürftig entwickelte öffentliche Verkehrsträger, ist das Auto zum unentbehrlichen Transportmittel geworden.

War ein Fahrzeug zu Beginn der Entwicklung noch so gestaltet, dass sich der Mensch mit all seinen Fertigkeiten an das neue System anpassen musste, so ist die Automobilindustrie heutzutage bestrebt, das System an den Menschen und seine Eigenschaften anzupassen oder ihm sogar Handlungen, die das Fahrzeugführen mit sich bringt, ganz abzunehmen.

Dem gesellschaftlichen Nutzen des Automobils stehen allerdings auch unerwünschte Nebenwirkungen gegenüber. So führt mangelnde oder herabgesetzte Aufmerksamkeit (siehe z.B. Rumar, 1990; Chapman, Ismail und Underwood, 1999) während der Autofahrt immer wieder zu gefährlichen Situationen im Straßenverkehr, die in letzter Konsequenz zu Todesfällen führen. Bedingt durch das hohe Verkehrsaufkommen sind alleine in Deutschland im Jahr 2003 im Straßenverkehr 462.170 Menschen verletzt und 6.613 Menschen getötet worden. Der größte Anteil entfällt auf die Fahrer von Personenkraftwagen mit 273.822 Verletzten und 3.797 Getöteten (Statistisches Bundesamt, 2004). In einer Studie des Gesamtverbandes der Deutschen Versicherungs-Wirtschaft (2004) wurde festgestellt, dass bei 25 bis 30 Prozent aller Unfälle auf Autobahnen Müdigkeit als eine zentrale Ursache anzusehen ist. Weitere 14 Prozent der Unfälle wurden durch andere Unaufmerksamkeiten verursacht.

Zusammenfassung:

Verkehrssituationen sind durch unterschiedliche Ausprägungen von Beanspruchung und Belastung geprägt. Während in der Vergangenheit das Hauptaugenmerk der Forschung eher auf Belastungsformen lag, die aus einer Überbeanspruchung des Fahrers resultierten, zeichnet sich ein neuer Forschungstrend ab, der Faktoren und Effekte der Unterforderung adressiert. In diesen Kontext reiht sich auch die vorliegende Studie ein, die den Zusammenhang zwischen Monotonie, Aufmerksamkeit und Leistung untersucht. Im Zentrum steht hierbei das Konzept des „Driving Without Awareness“ (DWA), mit dem das Autofahren unter stark verringerter Aufmerksamkeit charakterisiert wird.

Zur experimentellen Untersuchung von DWA fuhren erfahrene Autofahrer in einem vibroakustischen Fahrsimulator zum einen eine Teststrecke ab, deren Fahrverlauf vorhersagbar war und zu einer kognitiven Unterforderung seitens der Fahrer führen sollte. Zum anderen wurde für dieselbe Stichprobe in einem zweiten Versuchsdurchgang ein unvorhersagbarer Streckenverlauf vorgegeben, der auf eine dauerhafte Beanspruchung der Fahrer abzielte. Als Datenquellen dienten sowohl qualitative Daten als auch quantitative Daten. Im qualitativen Erhebungsteil der Untersuchung wurden die subjektiven Einschätzungen von der augenblicklichen Verfassung der Fahrzeugführer, Fragen zu erlebten DWA-Episoden und zum Müdigkeitsgrad erfasst. Im quantitativen Erhebungsteil wurden Daten zur Güte der Fahrzeugführung, zur Entdeckung und Reaktion auf Warnsignale und Blickbewegungsdaten ermittelt.

Die Auswertung der qualitativen Daten zeigte, dass die „Vorhersagbare“ Fahrsituation im Vergleich zur „Unvorhersagbaren“ die Häufigkeit subjektiv erlebter DWA-Merkmale erhöhte, ohne dass dies durch eine verstärkte Zunahme der Müdigkeit erklärt werden konnte. Die Analyse der quantitativen Daten zeigte, dass Häufigkeit und Dauer des Abkommens von der Fahrbahn ebenfalls unter der monotonen Bedingung signifikant zunahmen. Auch die Analysen der Blickbewegungsdaten zeigten überproportional häufige lange Fixationen auf nicht für das Fahren relevante Positionen in der Bedingung „Vorhersagbare Fahrsituation“. Im Gegensatz dazu konnte eine Verschlechterung der Entdeckung und Reaktion auf Warnsignale nicht nachgewiesen werden.

Gang der Untersuchung:

In dieser Diplomarbeit wurde ein sehr spezifischer Bereich dieser Wechselbeziehungen aus psychologischer Sicht näher untersucht. Im Speziellen handelte es sich um die Belastung des Fahrzeugführers durch eine lang andauernde Fahraufgabe und deren Folgen.

Während in der Vergangenheit das Hauptaugenmerk der Forschung jedoch eher auf Belastungsformen lag, die aus einer Überbeanspruchung des Fahrers resultierten, zeichnet sich ein neuer Forschungstrend in der Fahrerzustandserkennung ab, der Faktoren und Effekte der Unterforderung adressiert. In diesen Kontext reiht sich auch die vorliegende Arbeit ein, die den Zusammenhang zwischen Aufmerksamkeit, Dauerleistung, Monotonie und der damit verbundenen Informationsverarbeitung untersuchte. Im Zentrum stand hierbei das Konzept des „Driving Without Awareness“ (DWA), mit dem das Autofahren unter stark verringerter Aufmerksamkeit bzw. mit einem Abfall der Vigilanz charakterisiert wird.

So ist fast jeder Fahrzeugführer schon mit der Erfahrung konfrontiert worden, sich während einer längeren Fahrt in Stadien mentaler Abwesenheit zu befinden. Wie Eingangs bereits erwähnt, birgt dieses Aufmerksamkeitsdefizit im Straßenverkehr große Gefahren und bedarf daher einer detaillierten Erforschung.

In der Vergangenheit wurden verschiedene Ansätze formuliert, deren Absicht zum einen eine eindeutigere Definition dieses Phänomens war, zum anderen lieferten sie aber auch schon erste Implikationen für die experimentelle Erforschung. Da ein weiteres Ziel dieser Arbeit darin bestand, den experimentellen Ansatz von Wertheim (1978) zum Verständnis der Ursachen von DWA in einem angewandten Kontext zu replizieren, sollen die bisher zu dem Phänomen DWA postulierten Ansätze im nachfolgenden Kapitel vorerst rezensiert werden, bevor eine Definition und Abgrenzung des Themas bezüglich dieser Arbeit erfolgt.

Inhaltsverzeichnis:

	Inhaltsverzeichnis
	Eidesstattliche Erklärung	2
	Danksagung	3
	Inhaltsverzeichnis	5
	Abbildungsverzeichnis	8
	Tabellenverzeichnis	10
	Zusammenfassung	13
	Abstract	14
1.	Hintergrund und Anliegen	15
1.1	Einleitung	15
1.2	Interdisziplinäre Betrachtung des Themas	16
1.3	Ziel der Arbeit	16
2.	Bisherige Arbeiten und deren Implikationen	18
2.1.	Theoretische Überlegungen	18
2.2.	Erste Experimentelle Arbeiten und deren Weiterführung	18
2.3.	Definition und Abgrenzung	19
3.	Das Mensch-Maschine-System „Fahrer-Fahrzeug“	21
3.1	Das Wirkungsgefüge Fahrer, Fahrzeug und Umwelt	21
3.2	Aufgabenbewältigung des Fahrers bei der Fahrzeugführung	23
3.3	Aufmerksamkeit während der Fahrzeugführung	24
3.3.1	Informationsaufnahme und -verarbeitung bei der Fahrzeugführung	25
3.3.1.1	Spezifische vs. unspezifische Selektion	27
3.3.1.2	Kontrollierte vs. automatische Informationsverarbeitung	28
3.3.2	Intensität der Aufmerksamkeit und Arousal	31
3.4	Beanspruchung und Belastung	33
4.	Modellselektion	35
4.1	Stufenmodelle	35
4.2	Ressourcenmodelle	37
5.	Methoden zur Erfassung von DWA	42
5.1	Subjektive Angaben	42
5.2	Physiologische Maße	43
5.2.1	Blickbewegungsmessung	44
5.3	Performanzmaße	46
5.3.1	Maße der Primäraufgabe	47
5.3.2	Maße der Sekundäraufgabe	47
6.	Zentrale Fragestellungen und Hypothesen	49
7.	Methodisches Vorgehen	53
7.1	Hauptuntersuchung	53
7.1.1	Untersuchungsaufbau und -design	53
7.1.2	Untersuchungsbedingungen	55
7.1.3	Befragung	58
7.1.4	Datenaufzeichnung	60
7.1.5	Untersuchungsablauf	62
8.	Ergebnisse	66
8.1	Beschreibung der Stichprobe	66
8.2	Fragebogenanalyse	67
8.2.1	Schlaf vor Untersuchungsbeginn	67
8.2.2	Müde-Wach-Einschätzung	67
8.2.3	Schläfrigkeitseinschätzung	69
8.2.4	Psychische Anspannung	70
8.2.5	Momentane Leistungsfähigkeit	71
8.2.6	Aktuelle Leistungsaversion	72
8.2.7	Anstrengung durch die Entdeckungsaufgabe	74
8.2.8	DWA Erleben	74
8.3	Fahrdatenanalyse	76
8.3.1	„Offroad“ Ereignisse	76
8.3.2	Kollisionen nach Vollbremsung des Führfahrzeugs	77
8.3.3	Signalentdeckungs- und Reaktionszeitenanalyse	78
8.4	Blickbewegungsdatenanalyse	81
8.4.1	Globalanalyse der Fixationsdauern und der Fixationsorte	81
8.4.2	Analyse der Fixationsorte unterteilt nach Fixationsgruppen	82
8.5	Zusammenfassung der Ergebnisse	84
9.	Diskussion & Ausblick	85
	Literaturverzeichnis	90
	Anhang	101-173

Inhaltsverzeichnis:

	Inhaltsverzeichnis
	Eidesstattliche Erklärung	2
	Danksagung	3
	Inhaltsverzeichnis	5
	Abbildungsverzeichnis	8
	Tabellenverzeichnis	10
	Zusammenfassung	13
	Abstract	14
1.	Hintergrund und Anliegen	15
1.1	Einleitung	15
1.2	Interdisziplinäre Betrachtung des Themas	16
1.3	Ziel der Arbeit	16
2.	Bisherige Arbeiten und deren Implikationen	18
2.1.	Theoretische Überlegungen	18
2.2.	Erste Experimentelle Arbeiten und deren Weiterführung	18
2.3.	Definition und Abgrenzung	19
3.	Das Mensch-Maschine-System „Fahrer-Fahrzeug“	21
3.1	Das Wirkungsgefüge Fahrer, Fahrzeug und Umwelt	21
3.2	Aufgabenbewältigung des Fahrers bei der Fahrzeugführung	23
3.3	Aufmerksamkeit während der Fahrzeugführung	24
3.3.1	Informationsaufnahme und -verarbeitung bei der Fahrzeugführung	25
3.3.1.1	Spezifische vs. unspezifische Selektion	27
3.3.1.2	Kontrollierte vs. automatische Informationsverarbeitung	28
3.3.2	Intensität der Aufmerksamkeit und Arousal	31
3.4	Beanspruchung und Belastung	33
4.	Modellselektion	35
4.1	Stufenmodelle	35
4.2	Ressourcenmodelle	37
5.	Methoden zur Erfassung von DWA	42
5.1	Subjektive Angaben	42
5.2	Physiologische Maße	43
5.2.1	Blickbewegungsmessung	44
5.3	Performanzmaße	46
5.3.1	Maße der Primäraufgabe	47
5.3.2	Maße der Sekundäraufgabe	47
6.	Zentrale Fragestellungen und Hypothesen	49
7.	Methodisches Vorgehen	53
7.1	Hauptuntersuchung	53
7.1.1	Untersuchungsaufbau und -design	53
7.1.2	Untersuchungsbedingungen	55
7.1.3	Befragung	58
7.1.4	Datenaufzeichnung	60
7.1.5	Untersuchungsablauf	62
8.	Ergebnisse	66
8.1	Beschreibung der Stichprobe	66
8.2	Fragebogenanalyse	67
8.2.1	Schlaf vor Untersuchungsbeginn	67
8.2.2	Müde-Wach-Einschätzung	67
8.2.3	Schläfrigkeitseinschätzung	69
8.2.4	Psychische Anspannung	70
8.2.5	Momentane Leistungsfähigkeit	71
8.2.6	Aktuelle Leistungsaversion	72
8.2.7	Anstrengung durch die Entdeckungsaufgabe	74
8.2.8	DWA Erleben	74
8.3	Fahrdatenanalyse	76
8.3.1	„Offroad“ Ereignisse	76
8.3.2	Kollisionen nach Vollbremsung des Führfahrzeugs	77
8.3.3	Signalentdeckungs- und Reaktionszeitenanalyse	78
8.4	Blickbewegungsdatenanalyse	81
8.4.1	Globalanalyse der Fixationsdauern und der Fixationsorte	81
8.4.2	Analyse der Fixationsorte unterteilt nach Fixationsgruppen	82
8.5	Zusammenfassung der Ergebnisse	84
9.	Diskussion & Ausblick	85
	Literaturverzeichnis	90
	Anhang	101-173

Textprobe:

Kapitel 5.2.1, Blickbewegungsmessung: Da der Augenbewegungsapparat besonders empfindlich auf Aufmerksamkeitswechsel reagiert, ist er somit hervorragend als Messobjekt für Beanspruchung geeignet – obgleich dies nicht bedeuten muss, dass jeder Wechsel der Aufmerksamkeit mit Augenbewegungen einhergeht. Im Allgemeinen wird davon ausgegangen, dass die aktuelle Augenposition mit dem Fokus der Aufmerksamkeit in Verbindung steht. Diese Annahme ist auch als „eye-mind assumption“ bekannt. Weiter wird davon ausgegangen, dass die Dauer der Fixation auch mit der Dauer der zentralen Verarbeitung korreliert. Diese Annahme wird auch als „immediacy assumption“ bezeichnet. Sowohl die „eye-mind assumption“ als auch die „immediacy assumption“ bilden daher die Basis der Vielzahl von Blickbewegungsstudien die in den letzten Jahren durchgeführt wurden.

Im Falle des in dieser Studie untersuchten Blickverhaltens ist die „eye-mind assumption“ allerdings nicht zutreffend. Folgt man nämlich den phänomenologischen Beschreibungen von DWA aus Kapitel 2.3. so äußert sich DWA in der alltäglichen Erfahrung eines „verträumten Blickes“ oder eines „in Gedanken vor sich Hinstarrens“ gepaart mit Erinnerungslücken bezüglich der in diesen Augenblicken gefahrenen Strecke. Innerhalb dieser DWA Episoden ist daher nicht von einer angemessenen visuellen Verarbeitung der Wegstrecke auszugehen. Auch Schroiff nennt Untersuchungen, die gegen die „eye-mind assumption“ sprechen. So berichtet er, dass bei der Lösung von Problemlöseaufgaben relativ häufig und lange eine leere Fläche zwischen den Aufgaben fixiert wurde oder gar die Augen gänzlich geschlossen wurden.

Obwohl die genannten Betrachtungsweisen sich nach ihrem kognitiven Gehalt unterscheiden, gilt dennoch die Eingangs formulierte generelle These, dass der Augenbewegungsapparat ein höchst sensibler Indikator für Aufmerksamkeitswechsel ist und sich daher auch hervorragend zu Messung von DWA eignet. Die Herausforderung für diese Arbeit bestand somit darin, auch die Augenblicke zu messen und herauszufiltern in denen die aktuelle Augenposition nicht mit dem Fokus der Aufmerksamkeit in Verbindung steht und die Dauer der Fixation nicht mit der Dauer der zentralen Verarbeitung korreliert.

Daher wurde eine Fokussierung bzw. Fixation im Rahmen dieser Arbeit sehr allgemein als die Periode definiert, in der keine Sakkade stattfand. Diese Definition berücksichtigt, dass das Auge auch während einer Fixation nicht gänzlich still steht (Folgebewegungen und vestibuläre Bewegungen können auch während einer Fixation stattfinden). Bei genauerer Betrachtung und zum besseren Verständnis der Fixation ist eine Unterteilung in zwei weitere Perioden notwendig. In der ersten Periode wird ein Blickinhalt fokussiert und in der zweiten Periode wird eine Sakkade vorbereitet. Dabei ist zu beachten, dass die Sakkadenvorbereitung teilweise oder ganz mit der kognitiven Verarbeitung zusammenfallen kann.

Dass dies auch tatsächlich der Fall ist, wird schon damit belegt, dass eine Fixation durchaus von einer Sakkade unterbrochen werden kann, bevor die kognitive Verarbeitung zu Ende geführt werden konnte. Das ist um so häufiger der Fall, je mehr man abgelenkt wird. Diese „Ablenkbarkeit“ ist eine Form der Aufmerksamkeit, die vor allem dann gegeben ist, wenn die Aufgabe ein schnelles Reagieren auf visuelle Reize in der Umgebung verlangt. Umgekehrt ist das Auge weniger ablenkbar, wenn die aktuelle Aufgabe vor allem die Verarbeitung von bereits vorhandenen Informationen beinhaltet. Übertragen auf die Fahraufgabe bedeutet dies, dass es im Falle hoher Vorhersagbarkeit der Fahrumgebung (vgl. Kapitel 2.2.) zu weniger Unterbrechungen der Fixationen kommt und die Dauer der Fixationen dadurch ansteigt.

Bezüglich des Sakkadensystems konnte Unema durch eine Studie einige wichtige Hinweise auf die Art und Weise wie Blickbewegungen, sowohl durch kognitive als auch durch energetische Mechanismen, beeinflusst werden, liefern. Die Ergebnisse hinsichtlich der Reaktionszeiten waren in Einklang mit den Hypothesen, die man auf der Basis des kognitiv energetischen Modells aufgestellt hatte. Da die energetischen Mechanismen jedoch nicht direkt manipulierbar sind, sind diese Faktoren nur post-hoc, anhand der Auswirkungen auf die Daten aus der Blickbewegungsmessung, als solche feststellbar. Für die Erfassung dieser Daten während der Autofahrt kann eine Vielzahl verschiedener Blickbewegungsmessgrößen herangezogen werden. Einen Überblick dazu gibt Rötting.

Im Rahmen dieser Arbeit beschränkt sich der Autor aus ökonomischen Gründen auf eine Analyse des Blickverhaltens im Sinne von Blickmustern, die Aufschluss über den Zustand des Fahrzeugführers geben sollen. Im Vordergrund stehen dabei die Dauer der Blicke bezüglich verschiedener Blickorte wie der Fahrbahn oder dem Tachometer, sowie die Häufigkeit der Blicke in Richtung verschiedener Blickorte. Blicke sind hier synonym zu Fixationen und Blickorte (z.B. Fahrbahnmitte) sind synonym zu Fixationsorten zu verstehen. Die für die Untersuchung relevanten Blickorte werden auch als „Areas of Interest“ (AOI´s) bezeichnet. Die Fixationsdauer ist definiert als die Dauer in dem sich der Blick auf einem Objekt oder einem definierten Bereich aufhält bis zu dem Zeitpunkt des Verlassens dieses Zieles. Mit der Blickhäufigkeit bezeichnet man die Anzahl der Fixationen zu einem bestimmten Fixationsort oder die Anzahl, die benötigt wird um eine definierte Aufgabe zu erledigen.

Da sich die Methode der Blickbewegungsmessung in den letzten Jahren immer mehr als die Methode der Aufmerksamkeitserforschung etabliert hat gibt es inzwischen auch eine Vielzahl unterschiedlicher Möglichkeiten Augen- und Blickbewegungen zu messen. Dabei hängt die Auswahl des Verfahrens immer von dem Ziel der Untersuchung ab. So unterscheiden sich die Verfahren darin wie hochauflösend sie sind und ob sie berührungsfrei oder kopfbasiert sind. Einen Überblick über sämtliche gängige Verfahren geben Rötting und Seifert.

Das hier eingesetzte Verfahren zur Blickbewegungsmessung war videobasiert und somit berührungsfrei. Mittels drei Infrarotvideokameras wurden bei 50Hz Bilder von den Augen aufgezeichnet. Das Signal wurde dann einer rechnergestützten Bildverarbeitung, dem Softwareprogramm Smarteye 3.0, zugeführt um die interessierenden charakteristischen Merkmale des Augenbildes zu extrahieren.