English Title: Identification and evaluation of the mental workload of two different driver populations by measuring psychophysiological performance and key mental state parameters at the driver-vehicle interface as a contribution to traffic safety

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Abstract

Ziel der Arbeit war die Ermittlung und Bewertung der Beanspruchung zweier unterschiedlicher Fahrerkollektive (Pkw- und Motorradfahrer). Dazu kam eine Messkette zum Einsatz mittels derer psychophysiologische Leistungs- und Befindlichkeitsparameter erfasst werden können. Diese setzen sich aus der Herzrate (EKG), der Aktivität ausgewählter Muskeln (EMG) und der Hautleitfähigkeit (EDA) zusammen. Während bei den Motorradfahrversuchen die Qualität von Motorradschutzhelmen hinsichtlich der Beanspruchung des Fahrers bewertet wurde, wurde bei den Pkw-Fahrversuchen die Beanspruchung der Fahrzeugführer in unterschiedlichen Verkehrssituationen bewertet. Zur Untersuchung des Einflusses der Helmqualität auf die aktive Fahrsicherheit wurden die aerodynamischen und aeroakustischen Eigenschaften von zwölf Motorradschutzhelmen bewertet und verglichen. Die Messungen erfolgten mit Versuchspersonen sowie Messpuppen auf einem Motorrad im Straßenverkehr wie auch im Windkanal bei den Geschwindigkeiten 80, 120 und 160 km/h. Die aeroakustischen Eigenschaften wurden durch Messungen der Schalldruckpegel ermittelt. Die aerodynamischen Eigenschaften wurden sowohl durch die Erfassung der Kopfhaltekräfte mit einem EMG am Musculus sternocleidomastoideus ermittelt, als auch über Kraftmessglieder eines Kraftmessroboters. Zur Untersuchung der Umfeldgestaltung auf die Beanspruchung des Fahrers im Pkw wurde der Einfluss unterschiedlicher Fahrstreckenabschnitte bewertet. Dazu befuhren 60 Versuchspersonen eine 31 km lange Fahrstrecke mit Anteilen in der Stadt, Wohngebieten, Landstraßen und Autobahnen. Ferner wurden die Versuchspersonen einer Nebenaufgabe in Form einer akustischen Zuspielung ausgesetzt. Um Anhaltspunkte für die psychische Beanspruchung zu gewinnen, wurde mit einem EMG die Aktivität des Trapezmuskels gemessen. Die Ergebnisse zeigen, dass die Messkette zur Erfassung psychophysiologischer Leistungs- und Befindlichkeitsparameter geeignet ist, um produkt- oder umfeldbedingte Belastungsunterschiede im Straßenverkehr auf die individuelle Beanspruchung von Fahrzeugführern zu ermitteln. Aus den gewonnenen Messwerten und deren Beurteilungen wurden Defizite der aktiven Sicherheit von Motorradschutzhelmen, wie auch hinsichtlich der Gestaltung des befahrenen Verkehrsumfeldes identifiziert und Empfehlungen als Beitrag zur Verkehrssicherheit abgeleitet.

Translation of abstract (English)

The objective of this thesis was the identification and evaluation of the effects of varying system or environmental factors on the mental workload of two different driver populations. The influence on the mental workload induced by different types of motorcycle helmet was analysed for motorcyclists, and the effects on the mental workload induced by varying traffic situations was analysed for passenger vehicle drivers. To achieve this, various measurement methods were used to record psychophysiological performance and key mental state parameters, which included heart rate (via an ECG), activity of selected muscles (via an EMG) and skin conductance level (via an EDA). The aerodynamic and aeroacoustic quality characteristics of twelve motorcycle helmets were evaluated and compared to analyse the influence of motorcycle helmets on active driving safety. Testing with test drivers in on-road traffic scenarios and in a wind tunnel was conducted at three travel speeds (80, 120 and 160 km/h). The sound pressure level was measured to determine the aeroacoustic quality characteristics. The aerodynamic quality characteristics were recorded via an EMG measurement of the required head holding forces of the sternocleidomastoid muscle and via transducers installed on a measuring robot. To investigate the influence of the traffic environment on the mental workload of passenger vehicle drivers, data were collected from 60 test drivers completing a test route which comprised city, rural and motorway scenarios. Drivers were also required to complete an acoustic task during the test. The activity of the trapezius muscle was measured to gain an understanding of the psychological stress experienced. It was shown that the use of the measurement methods to record psychophysiological performance and key mental state parameters enabled the analysis of system or environment induced load differences in traffic on the individual mental workload of vehicle drivers. Analysis of the results also identified active safety deficits of motorcycle helmets. Additionally, deficits in design regarding the traffic environment were identified and recommendations contributing to transport safety were provided.