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Die begrenzte Reichweite ist einer der Hauptgründe für das derzeitige mangelnde Kaufinteresse an Elektrofahrzeugen. Neben rein komponentenoptimierenden Maßnahmen, wie der Verbesserung der Batterie, ist die Förderung von Eco-Driving, also einer energieeffizienten Fahrweise, ein effektiver Ansatz zur Steigerung der Reichweite. Trainings und visuell dargebotene Eco-Assistenten können Eco-Driving wirksam steigern, schöpfen aber nicht dessen gesamtes Potential aus. Angepasste Pedal- und Motorkennlinien könnten Eco-Driving zusätzlich fördern. Für deren Bewertung sind die Wirksamkeit und Akzeptanz bisher nicht gemeinsam berücksichtig worden oder sie wurden nicht im Elektrofahrzeug evaluiert und validiert. Zu diesen Anpassungen zählen eine Veränderung des Beschleunigungspedals, sodass mit diesem gleichzeitig beschleunigt und rekuperiert werden kann, die Limitierung von Drehmoment und Leistung und der Einsatz eines aktiven Beschleunigungspedals, welches Widerstände abhängig von Fahrzeug- oder Situationsparametern aktiviert.
Für diese Arbeit habe ich daher die Pedal- und Motorkennlinien entsprechend angepasst und in ein validiertes Elektroautomodell implementiert. Ziel war es, verschiedene Fahrverhaltensbereiche im Elektrofahrzeug, die Eco-Driving kennzeichnen (energieoptimales Beschleunigen und Verzögern, Einhalten von Geschwindigkeitsbegrenzungen, vorausschauendes Fahren), benutzerfreundlich, akzeptabel und wirksam zu unterstützen. Zu diesem Zweck habe ich vier Probandenstudien im bewegten Fahrsimulator durchgeführt und geeignete Pedal- und Motorkennlinien empirisch bestimmt. In der ersten Studie habe ich untersucht, ob und warum eine Pedalkennlinie zu bevorzugen ist, bei der mit dem Beschleunigungspedal anstelle des Bremspedals rekuperiert wird. Das Ziel der zweiten Studie war es, eine geeignete Rekuperationsstärke für ein kombiniertes Beschleunigungspedal, bei dem mit dem Beschleunigungspedal rekuperiert wird, zu bestimmen. In der dritten Studie habe ich evaluiert, ob die Limitierung der Leistung oder die des Drehmoments zu bevorzugen ist, um das Beschleunigungsverhalten zu optimieren und wie stark die Limitierungen optimaler Weise sein sollten. Basierend auf den Ergebnissen der dritten Studie, habe ich schließlich einen optimierten Limitierungsansatz konzipiert, diesen mit einem aktiven Beschleunigungspedal verglichen und bestimmt, welcher Ansatz zu bevorzugen ist.
Aufgrund der Studienergebnisse werden folgende Ansätze für die jeweiligen Eco-Driving-Fahrverhaltensbereiche empfohlen und es werden folgende Gestaltungsempfehlungen abgeleitet: Zur Förderung eines energieeffizienten Beschleunigungsverhaltens ist die Limitierung von Drehmoment und Leistung geeignet. Die Limitierung des Drehmoments ist hierbei besonders wirksam in geringen, die Limitierung der maximalen Leistung in höheren Geschwindigkeitsbereichen. Zu empfehlen sind parallele mittelstarke Limitierungen von maximalem Drehmoment und maximaler Leistung, die Beschleunigungen mit 2.0 m/s² erlauben, bei gleichzeitiger Bereitstellung eines Kick-Downs. Ein aktives Beschleunigungspedal ist insbesondere aus Gründen der Benutzerfreundlichkeit zur Förderung eines energieeffizienten Beschleunigungsverhaltens nur eingeschränkt empfehlenswert.
Zur Förderung eines energieeffizienten Verzögerungsverhaltens wird die Implementierung der Rekuperationsfunktion auf dem Beschleunigungspedal anstelle des Bremspedals empfohlen, da dies einerseits ermöglicht, auf hydraulisches Bremsen zu verzichten und gleichzeitig mehr Energie rekuperiert werden kann. Ersteres trägt zu einer hohen Akzeptanz bei, letzteres zu einer günstigen Energiebilanz. Besonders effektiv und akzeptabel ist ein kombiniertes Fahrbremspedal, wenn es eine starke Rekuperation ermöglicht (zwischen -1.7 und -2.1 m/s²). Weiterhin ist ein aktives Beschleunigungspedal, das den geeigneten Zeitpunkt für eine maximal energieeffiziente Verzögerung mit einem kombinierten Fahrbremspedal anzeigt, wirksam, um die rekuperierte Energie zu steigern. Auf diese Weise kann zudem eine vorausschauende Fahrweise unterstützt werden. Hierbei muss jedoch die Funktionalität und Benutzerfreundlichkeit optimiert werden, um eine gesteigerte kognitive Fahrerbeanspruchung und Minderungen der Akzeptanz zu vermeiden. Zur Unterstützung der Einhaltung von Geschwindigkeitsbegrenzungen ist ebenfalls das aktive Beschleunigungspedal geeignet. Der Fahrer sollte hierbei aber die Möglichkeit haben, individuell Grenzwerte einzustellen.
Die Verknüpfung eines kombinierten Fahrbremspedals mit einer Limitierung von Drehmoment und Leistung sowie einem aktiven Beschleunigungspedal kann abschließend, unter Berücksichtigung der abgeleiteten Gestaltungsempfehlungen, als effektive und akzeptable Möglichkeit zur Förderung unterschiedlicher Verhaltensbereiche von Eco-Driving bewertet werden. Die erwarteten Synergieeffekte der evaluierten Ansätze in Verbindung mit Eco-Trainings und visuell dargebotenen Eco-Feedback-Assistenten sowie deren Langfristigkeit sollten Gegenstand weiterführender Forschung sein.
Fahr- und Verkehrssimulation sind neben Studien mit realen Fahrzeugen die gängigen Methoden der empirischen Verkehrswissenschaft. Während sich die Fahrsimulation mit dem Erleben und Verhalten von Fahrern beschäftigt, untersucht die Verkehrssimulation das gesamte Verkehrssystem. Der Bereich zwischen diesen Polen „Fahrer“ und „Verkehr“, in dem Fahrer aufeinander treffen und miteinander interagieren, ist angesichts der Bedeutung sozialer Prozesse für das Erleben und Verhalten ein wichtiger Aspekt. Allerdings wurde dieser Bereich in der Verkehrswissenschaft bisher nur unzureichend abgebildet. Auch in der Fahr- und Verkehrssimulation wurde dieser Aspekt bislang weitgehend vernachlässigt.
Um diese Lücke zu schließen, wurde mit der Pulksimulation eine neue Versuchsumgebung entwickelt. Sie besteht aus miteinander vernetzten Fahrsimulatoren und ermöglicht es, Interaktionsfragestellungen zu untersuchen. Jedoch bringt die Anwendung der Pulksimulation neue Anforderungen an den Untersucher mit sich, die bei der Fahr- bzw. Verkehrssimulation nicht notwendig sind und für die Pulksimulation neu entwickelt werden müssen. Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist, diese Methode zur Untersuchung verkehrspsychologischer Fragestellungen weiterzuentwickeln, zu prüfen und zu etablieren.
In ersten Untersuchungsansätzen werden in acht Teilstudien die grundlegenden methodischen Besonderheiten der Pulksimulation am Beispiel des Folgefahrens und des Kreuzens betrachtet. Hierbei wird auch stets der Vergleich zu den bisher genutzten Versuchsumgebungen Einzelfahrsimulation und Verkehrssimulation gezogen. Folgende Fragstellungen wurden im Rahmen dessen beantwortet:
(1) Wie unterscheidet sich eine Pulkfahrt von einer Einzelfahrt?
(2) Welchen Einfluss haben nachfolgende Fahrzeuge im Pulk?
(3) Welche Effekte haben Positionierungen im Pulk?
(4) Wie unterscheiden sich reale Fahrer und Modelle im Pulk?
(5) Wie wirkt sich die Einführung einer Nebenaufgabe auf den Pulk aus?
(6) Wie wirken sich verschiedene Abstandsinstruktionen aus?
(7) Mit welchen Parametern kann der Pulk beschrieben werden?
(8) Wie kann das Verhalten des Pulks an Kreuzungen untersucht werden?
Schließlich werden zwei Anwendungsbeispiele der Pulksimulation zu aktuell relevanten Themen aufgezeigt. In der ersten Untersuchung wird ein Gefahrenwarner evaluiert, der vor Bremsungen vorausfahrender Fahrzeuge warnt. Während Fahrer direkt hinter dem bremsenden Fahrzeug vom System nicht profitieren, steigt der Nutzen des Systems mit zunehmender Positionierung im Pulk an.
In einer zweiten Studie wird ein Ampelphasenassistent untersucht. Dieser informiert den Fahrer während der Annäherung an eine Ampel über die optimale Geschwindigkeit, mit der diese Ampel ohne Halt bei Grün durchfahren werden kann. Um die Auswirkungen des Systems auf den nicht-assistierten Umgebungsverkehr bestimmen zu können, werden verschiedene Ausstattungsraten innerhalb des Pulks eingeführt. Mit diesem Untersuchungsansatz können gleichzeitig Effekte des Systems auf die assistierten Fahrer (z. B. Befolgungsverhalten), die nicht-assistierten Fahrer (z. B. Ärger) sowie das Verkehrssystem (z. B. Verkehrsfluss) bestimmt werden. Der Ampelphasenassistent resultiert in einem ökonomischeren Fahrverhalten der assistierten Fahrer, erhöht aber gleichzeitig in gemischten Ausstattungsraten den Ärger der nicht-assistierten Fahrer im Verkehrssystem. Erst bei Vollausstattung entwickelt sich dieser negative Effekt zurück.
Die in den Anwendungsbeispielen berichteten Phänomene sind durch Untersuchungen in einer Einzelfahrsimulation oder Verkehrssimulation nicht beobachtbar. Insbesondere für die Untersuchung von Fragen, in denen soziale Interaktionen mit anderen Fahrern eine Rolle spielen, zeichnet sich die Pulksimulation in besonderer Weise aus. Hierfür liefert die Anwendung in der Pulksimulation zusätzliche Informationen und zeigt somit, dass die Pulksimulation das Methodeninventar in der Verkehrswissenschaft effektiv ergänzt. Sie stellt zum einen eine Erweiterung der Fahrsimulation um den Faktor „Verkehr“ und zum anderen eine Erweiterung der Verkehrssimulation um den Faktor „Mensch“ dar und wird so zu einem zentralen Bindeglied beider Versuchsumgebungen.
Darüber hinaus erlaubt die Pulksimulation die Modellierung von Interaktionsverhalten im Straßenverkehr, was bisher nicht bzw. nur unter größtem Aufwand realisierbar war. Hierdurch können die Modelle der Fahr- und Verkehrssimulation weiterentwickelt werden.
Mit den in dieser Arbeit neu entworfenen Parametern werden Kenngrößen zur Verfügung gestellt, die Variationen bezüglich Quer- und Längsführung auch auf Ebene des Pulks abbilden können. Weitere neu entwickelte Parameter sind in der Lage, Interaktionen über den Zeitverlauf zu beschreiben. Diese Parameter sind notwendig für den Einsatz der Pulksimulation in zukünftigen Untersuchungen.
Zusammenfassend wurde in der vorliegenden Arbeit die Methodik der Pulksimulation für den gesamten Anwendungsprozess von der Fragestellung bis hin zur Interpretation der Ergebnisse weiterentwickelt. Der Mehrwert dieser Methode wurde an aktuellen und bisher nicht untersuchbaren Fragestellungen belegt und somit die Validität der Pulksimulation gestärkt. Die vorgestellten Untersuchungen zeigen das große Potenzial der Pulksimulation zur Bearbeitung von Fragen, die auf der Interaktion verschiedener Verkehrsteilnehmer basieren. Hierdurch wird erstmals die Möglichkeit geschaffen, soziale Interaktionen über den Zeitverlauf in die Fahrermodelle der Verkehrssimulation zu integrieren. Damit ist der Brückenschlag von der Fahr- zur Verkehrssimulation gelungen.
In der Arbeit wird ein neues Konzept für Fahrsimulator-Datenbasen vorgestellt. Der Anwender entwirft eine auf seine Fragestellung zugeschnittene Datenbasis mithilfe einer einfachen Skriptsprache. Das Straßennetzwerk wird auf einer topologischen Ebene repäsentiert. In jedem Simulationsschritt wird hieraus im Sichtbarkeitsbereich des Fahrers die geometrische Repäsentation berechnet. Die für den Fahrer unsichtbaren Teile des Straßenetzwerks können während der Simulation verändert werden. Diese Veränderungen können von der Route des Fahrers oder von den in der Simulation erhobenen Messerten abhängen. Zudem kann der Anwender das Straßennetzwerk interaktiv verändern. Das vorgestellte Konzept bietet zahlreiche Möglichkeiten zur Erzeugung reproduzierbarer Szenarien für Experimente in Fahrsimulatoren.
Die meisten Unfälle mit Personenschaden in der Bundesrepublik Deutschland sind infolge urbaner Verkehrskonflikte zu verzeichnen. Die Mehrzahl dieser Unfälle findet in Kreuzungssituationen statt (sog. Kreuzen-, Einbiege- und Abbiege-Unfälle). Heutige Assistenzsysteme zur Kollisionsvermeidung oder -abschwächung stoßen in diesen Situationen aufgrund der durch bordeigene Fahrzeugsensorik eingeschränkten Möglichkeiten zur Erfassung der Verkehrsumgebung an ihre Grenzen. Diese Einschränkungen ergeben sich beispielsweise durch Sichtverdeckungen (z.B. durch parkende Fahrzeuge oder Häuserreihen, welche die Sicht in Kreuzungsarme verdecken) oder die begrenzte Erfassungsgüte verletzlicher Verkehrsteilnehmer (Fußgänger, Radfahrer oder Motorradfahrer). Zukünftige kooperative Kommunikationstechnologien, basierend auf Fahrzeug-Fahrzeug- und Fahrzeug-Infrastruktur-Kommunikation, ermöglichen es, dem Fahrer auch in komplexen urbanen Konfliktsituationen frühzeitig Informationen über potentielle Gefahrensituationen zu übermitteln. Gleichwohl liegen Konzepte zur Ausgestaltung einer solchen Fahrerunterstützung, die den Fähigkeiten und Bedürfnissen des Fahrers entsprechen, bislang nur vereinzelt vor.
In dieser Arbeit wird deshalb ein neuartiges Konzept zur frühzeitigen Fahrerunterstützung entwickelt und in einer im Fahrsimulator durchgeführten Studienreihe empirisch evaluiert. Ziel ist es, dem Fahrer im Gegensatz zu dringlichen Kollisionswarnungen, wie sie heutzutage beispielsweise im Kontext von Notbremsassistenten verwendet werden, frühzeitig auf drohende Verkehrskonflikte hinzuweisen. Um die Zuverlässigkeit dieser Unterstützung zu erhöhen, soll der Fahrer (1.) so früh wie nötig aber so spät wie möglich, (2.) so spezifisch wie nötig und (3.) so dringlich wie nötig informiert werden. Diese drei zentralen Gestaltungskriterien (Zeitpunkt, Spezifität und Dringlichkeit) wurden in meiner Arbeit in umfassenden Probandenstudien empirisch untersucht, wobei die zu erwartende Unzuverlässigkeit der maschinellen Situationsanalyse und -prädiktion expliziter Bestandteil des Studiendesigns war. Folgende Gestaltungsempfehlungen können, basierend auf den Studienergebnissen, gegeben werden:
Zeitpunkt: Die Fahrerinformationen sollten eine bis zwei Sekunden vor dem letztmöglichen Warnzeitpunkt (t0+1s/2s) präsentiert werden. Noch frühzeitigere Fahrerinformationen führten zu keiner weiteren Wirksamkeitssteigerung. Fahrerinformationen zum letztmöglichen Warnzeitpunkt (t0) hatten keinen positiven Einfluss auf das Fahrverhalten.
Spezifität: Die Fahrerinformationen sollten eine Anzeige der Richtung, aus welcher der Konflikt droht (sog. richtungsspezifische Anzeige), beinhalten. Unspezifische Anzeigen (bloße Anzeige, dass ein Konflikt droht) führten zwar zu vergleichbaren Verhaltenseffekten wie spezifische Anzeigen. Die Anzeige der Konfliktrichtung steigerte jedoch die wahrgenommene Nützlichkeit der Fahrerunterstützung. Falls mit der Ausgabe fehlerhafter Richtungsanzeigen zu rechnen ist, wird dennoch eine unspezifische Anzeigestrategie empfohlen, da fehlerhafte Richtungsanzeigen eine Einschränkung der subjektiven Nützlichkeit zur Folge hatten. Auch die Anzeige der Art des Konfliktpartners führte zu einer höheren subjektiven Nützlichkeit, jedoch berichteten die Fahrer gleichzeitig von einer erhöhten Ablenkungswirkung dieser Anzeigen.
Dringlichkeit: Es sollte ein rein visuelles Anzeigekonzept verwendet werden. Zwar führten dringlichere, visuell-auditive Anzeigen zu einer schnelleren Bremsreaktion als rein visuelle Anzeigen. In Anbetracht der Frühzeitigkeit der Fahrerinformationen war dies zum einen jedoch nicht entscheidend für deren Wirksamkeit. Zum anderen wirkten sich falsche Alarme gerade bei visuell-auditiven Fahrerinformationen negativ auf Bremsreaktion und Wirksamkeit aus.
Die sog. Simulatorkrankheit ist eine bekannte negative Begleiterscheinung der Exposition in virtuellen Umwelten. Umfassende Untersuchungen hierzu stammen vor allem aus dem fliegerischen Bereich, in dem Simulatoren seit mehreren Jahrzehnten als Trainingsmethode eingesetzt werden. Auf dem Gebiet der Fahrsimulation liegen bislang nur wenige systematische Studien vor. Mit Aufnahme des Trainings im Projekt "Simulation von Einsatzfahrten" (März 2003) wurde sehr schnell offensichtlich, dass das Auftreten und das Ausmaß von Simulatorkrankheitsbeschwerden ein ernst zu nehmendes Problem darstellt, das die Trainingseffizienz erheblich beeinträchtigt. Vor allem auf technischer Seite, aber auch auf Seiten der Trainingsgestaltung wurden massive Anstrengungen unternommen, um dem Problem gemeinsam entgegenzuwirken. Die Thematik wurde deshalb zum Gegen¬stand umfassender begleitender Evaluationsarbeiten, die im vorliegenden Teilbericht II zusammenfassend darge-stellt werden. Der Text gibt zunächst einen Überblick des Literaturstands zur Simulatorkrankheit (Kapitel 2). Eingegangen wird dabei auf theoretische Erklärungsansätze zur Entstehung der Beschwerden und die resultierende Symptomatik. Weiterhin dargestellt werden etablierte Verfahren zur Erfassung von Kinetose, die vor allem im fliegerischen Bereich entwickelt wurden und in jüngerer Zeit auch auf andere Anwendungsbereiche übertragen werden. Zusammengefasst werden Resultate von Studien, die die Wirkung unterschiedlicher Einflussfaktoren aufzeigen. Die Ergebnisse der empirischen Untersuchungen sind Gegenstand der Folgekapitel. Berichtet werden zunächst die Resultate der Beobachtungen in der Anfangsphase des Trainings, in der verschiedene Modifikationen der Ansteuerung des Bewegungssystems vorgenommen wurden (Kapitel 3). Die Darstellung der Resultate dieser Screeningphase, in der kleine Stichproben untersucht wurden, beschränkt sich auf die Analyse der beobachteten Ausfallraten. Gegenstand einer weiterführenden Untersuchungsreihe war die nähere Analyse der Sym-ptomstruktur, der Inzidenz, der Ausprägungen sowie der Nachwirkungen akuter Simulatorkrankheitsbeschwerden (Kapitel 4). In dieser Studie wurde u. a. der von Kennedy, Lane, Berbaum & Lilienthal (1993) entwickelte Simulator Sickness Questionnaire eingesetzt, der als das meisten etablierte subjektive Verfahren zur Erfassung der Simulatorkrankheit gilt. Die Grundlage dieser Datenerhebung bildete eine Stichprobe von mehr als N=200 Trainingsteilnehmern. Abschließend berichtet werden die Ergebnisse einer Studie, die die Auswirkungen des Fahrens bei aktiviertem bzw. deaktiviertem Bewegungssystem vergleichend analysiert (Kapitel 5). Auch diese Studie stützt sich auf einen großen Stichprobenumfang von N>200 Fahrern.
Mit dem Ziel der Optimierung der bestehenden polizeilichen Fahrausbildung hat das Präsidium der Bayerischen Bereitschaftspolizei im Jahr 2001 ein mehrjähriges Pilotprojekt initiiert, in dem ein technologiegestütztes und didaktisch begründetes Ausbildungssystem entwickelt und erprobt werden sollte. Im Zentrum dieses Pilotprojekts stand die Frage der Anwendung moderner Simulationstechnologie in der Fahrausbildung. Inhaltliche Entwicklung und Projektevaluation oblagen dem IZVW. Das Pilotprojekt ist integriert in das Gesamtcurriculum der Fahrausbildung bei der Bayerischen Bereitschaftspolizei (Rager & Müller, 2000). Dieses basiert auf drei unterschiedlichen Ausbildungsblöcken und umfasst insgesamt 93 Unterrichtseinheiten. Die Inhalte des dreistufigen Programms im Rahmen der Ausbildung für den mittleren Polizeivollzugsdienst sind gekennzeichnet als „Situations- und typenbezogenes Fahrtraining“ (Stufe 1), „Sicherheitstraining mit Gefahrenlehre“ (Stufe II) und „Gefahrentraining zur Bewältigung von Einsatzfahrten mit und ohne Inanspruchnahme von Sonder- und Wegerechten“ (Stufe III). In dieser letzten Ausbildungsstufe ist das Pilotprojekt „Simulation von Einsatzfahrten“ positioniert. Das verkehrswissenschaftliche Projekt setzte sich zum Ziel, in enger Zusammenarbeit mit polizeilichen Experten und Ausbildern eine an den Erfordernissen der beruflichen Praxis orientierte Ausbildungs- und Trainingskonzeption zu entwickeln und insbesondere die Anwendung der Simulationsmethodik innerhalb der Fahrausbildung zu evaluieren. Der vorliegende Text konzentriert sich als Teil der Abschlussdokumentation auf die Evaluation des Simulatortrainings. Dieses ist konzipiert als zentraler Bestandteil des inhaltlichen Moduls „Gefahrenkognition“ und wird ergänzt durch ein vorbereitendes computerbasiertes Training. Gegenstand dieses Berichts sind die Arbeiten zur Erfassung von Trainingsakzeptanz und Lernerfolg der Lerneinheit Gefahrenkognition. Hierzu wird zunächst ein Überblick über aktuelle in der Literatur vorliegende Studien gegeben, die sich mit der Evaluation der Simulation als Lehrmethode in der Fahrausbildung beschäftigen. Kapitel 3 gibt einen Überblick über die Inhalte des Moduls und den Aufbau der Übungen in CBT und Simulator. Fragestellungen, Konzeption und methodisches Vorgehen der Evaluationsuntersuchungen sind beschrieben in Kapitel 4. Die Darstellung der Ergebnisse erfolgt in den Abschnitten 5 bis 7.