Μοντελοποίηση της επίδρασης παραγόντων στην οδηγική συμπεριφορά, σε συνθήκες αυξημένου νοητικού φορτίου

Abstract

Road safety is a critical and ever-relevant issue, with the scientific community continually proposing improvement measures while evaluating their implementation. Despite significant progress in accident-related indicators in recent years, statistical data highlights the need for more substantial efforts to minimize, if not eliminate, fatalities and serious injuries from road traffic accidents. The prioritization of road safety is reflected in numerous publications and goals at national, European, and global level, with the most prevalent philosophy being the Safe System Approach. This approach is based on the principle that it is ethically unacceptable to allow serious injuries and fatalities within road networks. This doctoral dissertation draws inspiration from the Safe System Approach, aiming to contribute to road safety improvement by influencing the human-centered design of the driver-vehicle-road-environment system. Its objective is to study the impact of driver characteristics, prevailing conditions, and road and environmental factors on driver behavior and, consequently, on performance. The influence of these characteristics on driving behavior is investigated through a driving simulator experiment, utilizing appropriate equipment to record vehicle movement parameters, physiological parameters of the driver, and α questionnaire to collect demographic and other relevant driver information. Studying driving behavior is a complex process due to the intricacies of human behavior and the complexity of the road environment. A thorough review of the relevant theoretical background contributes to understanding concepts related to driving and driver behavior, as well as the factors influencing them, categorized into driver, vehicle, and road and the environment. Special emphasis is placed on clarifying the concept of mental workload, which relates to the level of attention resources required to achieve subjective and objective performance goals. Mental workload can be influenced by task demands, external support, and prior driver experience, playing a crucial role in road safety. Many accidents are attributed to mental workload, which, if too low, leads to lack of vigilance, or if too high, causes the driver to experience high stress levels. Understanding how mental workload affects driving behavior is critical for road safety. To this end, this dissertation examines the influence of various factors on driving behavior under conditions of low and increased mental workload, as well as under different visibility conditions and across different road networks. The methodological approach developed for this research consists of several methodological tools, both objective and subjective, which work in combination to thoroughly study driving behavior. Popular and reliable vehicle movement parameters from the driving simulator are recorded (vehicle speed, acceleration, distance from the leading vehicle), along with physiological parameters (heart rate, skin conductivity, and temperature), and the driver reaction time, the way of response and the occurrence of accident at unexpected events. To study the influence of mental workload on driver behavior, the delayed digit recall task "MIT AgeLab Delayed Digit Recall Task (1-back)" was adapted to the research needs. Additionally, self-report tools are used to collect essential data for analyzing driving behavior and capturing subjective assessments from the drivers themselves, which serve as a crucial supplementary measure for evaluating driving behavior. This novel methodology was developed based on an analysis of the advantages and disadvantages of the methods used for studying driving behavior, as identified through the literature review on relevant methodological tools. Through comparative analysis and evaluation of studies related to the research topic, key elements are documented concerning experimental design, the tools used to measure driving performance, the results and conclusions drawn, as well as the limitations of these studies. Focusing on the research gaps identified, this dissertation proposes a comprehensive methodological framework for studying driving behavior under different visibility conditions (good and limited visibility) and across different road networks (urban, rural). The study emphasizes driver reactions to unexpected events during driving, both with and without additional mental workload, seeking to leverage the strengths of previous studies while addressing the gaps that have emerged. The experimental process is designed and implemented based on a detailed and rigorous protocol developed for this research. For the study's needs, two original driving simulator scenarios were developed, along with two custom software applications: one for synchronizing and controlling the equipment systems, and another for data post-processing. The statistical methodology developed combines several analyses to maximize the value of the collected data in producing insightful conclusions. Appropriate statistical analyses investigate correlations between driving behavior parameters (reaction time and way of response to unexpected events: brake/manouvre/both), environmental factors (high/limited visibility, urban/rural road network), driver characteristics (gender, age, mental workload), and the occurrence of accidents in unexpected events. Subsequently, the dissertation explores the differentiation of driver reaction time to unexpected events under conditions of good and limited visibility using generalized linear models, and proposes two mixed effects logistic linear regression models to estimate the likelihood of an accident occurring in unexpected events. The result is a set of recommendations for improving road safety, guided by the principles of the Safe System Approach, including updates to legislation, driver education and awareness campaigns, vehicle design, road and environmental planning, and the need for further investigation.

Η οδική ασφάλεια αποτελεί ένα κρίσιμο και πάντα επίκαιρο θέμα, για το οποίο η επιστημονική κοινότητα προτείνει μέτρα βελτίωσης, αξιολογώντας ταυτόχρονα την εφαρμογή τους. Παρά τη σημαντική βελτίωση των σχετικών δεικτών ατυχημάτων τα τελευταία χρόνια, τα στατιστικά δεδομένα καταδεικνύουν την ανάγκη για μεγαλύτερη προσπάθεια με απώτερο στόχο την ελαχιστοποίηση ή και την πλήρη αποτροπή των θανάτων και των σοβαρών τραυματισμών από τροχαία ατυχήματα. Η προτεραιοποίηση της οδικής ασφάλειας αποτυπώνεται σε πλήθος δημοσιεύσεων και στόχων σε εθνικό, ευρωπαϊκό, και παγκόσμιο επίπεδο, με επικρατέστερη φιλοσοφία την Προσέγγιση Ασφαλούς Συστήματος, η οποία στηρίζεται στη θέση ότι δε μπορεί να είναι ηθικά αποδεκτή η ύπαρξη σοβαρών τραυματισμών και θανάτων στα δίκτυα μεταφορών. Η παρούσα διδακτορική διατριβή εμπνέεται από την Προσέγγιση Ασφαλούς Συστήματος, και υλοποιείται με απώτερο σκοπό τη συνεισφορά στη βελτίωση της οδικής ασφάλειας μέσω επηρεασμού του ανθρωποκεντρικού σχεδιασμού του συστήματος οδηγού – οχήματος – οδού και περιβάλλοντος. Αντικείμενό της είναι η μελέτη της επίδρασης χαρακτηριστικών του οδηγού, των επικρατουσών συνθηκών, και της οδού και του περιβάλλοντος, στη συμπεριφορά και κατά προέκταση στην απόδοση του οδηγού. Η επίδραση των εν λόγω χαρακτηριστικών στην οδηγική συμπεριφορά, διερευνάται μέσω πειράματος προσομοιωτή οδήγησης, με τη χρήση κατάλληλου εξοπλισμού για την καταγραφή των παραμέτρων κίνησης του οχήματος, των φυσιολογικών παραμέτρων του οδηγού, και των δεδομένων ερωτηματολογίου, μέσω του οποίου γίνεται η συλλογή δημογραφικών και άλλων σχετικών δεδομένων των οδηγών.Η μελέτη της οδηγικής συμπεριφοράς είναι μία πολύπλοκη διαδικασία, λόγω της συνθετότητας της ανθρώπινης συμπεριφοράς, αλλά και λόγω της πολυπλοκότητας του οδικού περιβάλλοντος. Η ενδελεχής ανασκόπηση του σχετικού θεωρητικού υποβάθρου συνεισφέρει στην κατανόηση των εννοιών που αφορούν στην οδήγηση και στη συμπεριφορά του οδηγού, καθώς και στους παράγοντες επιρροής αυτών, όπως διακρίνονται στις κατηγορίες του οδηγού, του οχήματος, και της οδού και του περιβάλλοντος. Ιδιαίτερη βαρύτητα δίνεται στην αποσαφήνιση της έννοιας του νοητικού φορτίου, το οποίο αφορά στο επίπεδο των πόρων προσοχής που απαιτούνται για την επίτευξη υποκειμενικών και αντικειμενικών στόχων απόδοσης. Μπορεί να επηρεάζεται από τις απαιτήσεις της δραστηριότητας, την εξωτερική υποστήριξη, καθώς και την προϋπάρχουσα εμπειρία του ατόμου, και διαδραματίζει σημαντικό ρόλο στην οδική ασφάλεια. Πλήθος ατυχημάτων οφείλονται στο νοητικό φορτίο, που είτε είναι πολύ χαμηλό, οπότε υπάρχει έλλειψη εγρήγορσης, είτε είναι πολύ υψηλό και συνεπώς ο οδηγός βιώνει υψηλά επίπεδα στρες. Κρίσιμος για την οδική ασφάλεια, είναι ο καθορισμός του τρόπου επιρροής του νοητικού φορτίου στην οδηγική συμπεριφορά. Προς αυτόν τον σκοπό, η παρούσα διδακτορική διατριβή μελετά την επίδραση πλήθους παραγόντων στην οδηγική συμπεριφορά, σε συνθήκες χωρίς και με αυξημένο νοητικό φορτίο, σε διαφορετικές συνθήκες ορατότητας, και σε διαφορετικά οδικά δίκτυα. Η μεθοδολογική προσέγγιση που αναπτύσσεται απαρτίζεται από πλήθος επιμέρους μεθοδολογικών εργαλείων, αντικειμενικών και υποκειμενικών, τα οποία λειτουργούν συνδυαστικά για την πληρέστερη μελέτη της οδηγικής συμπεριφοράς. Επιλέγεται να γίνει καταγραφή δημοφιλών και αξιόπιστων παραμέτρων κίνησης του οχήματος του προσομοιωτή (ταχύτητα του οχήματος, επιτάχυνση, απόσταση από το προπορευόμενο όχημα), των φυσιολογικών παραμέτρων του οδηγού (καρδιακή λειτουργία, αγωγιμότητα και θερμοκρασία δέρματος), αλλά και του χρόνου και τρόπου αντίδρασης του οδηγού και της διενέργειας ατυχήματος σε μη αναμενόμενα συμβάντα. Για τη μελέτη της επιρροής της μεταβολής του νοητικού φορτίου στη συμπεριφορά του οδηγού, η δραστηριότητα καθυστερημένης ανάκλησης ψηφίων «MIT AgeLab De-layed Digit Recall Task (1-back)» προσαρμόζεται στις ανάγκες της έρευνας. Ταυτόχρονα, γίνεται χρήση εργαλείων αυτο-αναφοράς, για τη συλλογή σημαντικών δεδομένων για την ανάλυση της οδηγικής συμπεριφοράς, αλλά και για την καταγραφή δεδομένων υποκειμενικής εκτίμησης της κατάστασης εκ μέρους του ίδιου του οδηγού, τα οποία, αποτελούν κρίσιμο επικουρικό μέτρο αξιολόγησης της οδηγικής συμπεριφοράς. Η πρωτότυπη αυτή μεθοδολογία βασίστηκε στην ανάλυση των πλεονεκτημάτων και των μειονεκτημάτων των μεθόδων που χρησιμοποιούνται για τη μελέτη της οδηγικής συμπεριφοράς, όπως προέκυψαν από τα αποτελέσματα της βιβλιογραφικής ανασκόπησης στα σχετικά μεθοδολογικά εργαλεία. Στη συνέχεια μέσω συγκριτικής ανάλυσης και αξιολόγησης των σχετικών με το υπό μελέτη θέμα ερευνών, καταγράφονται τα βασικά στοιχεία αυτών που αφορούν στον σχεδιασμό του πειράματος, στα εργαλεία μέτρησης της οδηγικής απόδοσης που χρησιμοποιήθηκαν, στα αποτελέσματα και συμπεράσματα που προέκυψαν, καθώς και στους περιορισμούς των ερευνών. Εστιάζοντας στα ερευνητικά κενά που εντοπίστηκαν, η παρούσα διατριβή προτείνει ένα ολοκληρωμένο μεθοδολογικό πλαίσιο για τη μελέτη της οδηγικής συμπεριφοράς σε διαφορετικές συνθήκες ορατότητας (καλή και περιορισμένη ορατότητα) και σε διαφορετικά οδικά δίκτυα (αστικό, υπεραστικό), επικεντρώνοντας το ενδιαφέρον της στην αντίδραση του οδηγού σε μη αναμενόμενα συμβάντα κατά την οδήγηση χωρίς και με επιπλέον νοητικό φορτίο, επιχειρώντας να εκμεταλλευτεί τα δυνατά σημεία των διεξαχθείσων ερευνών και ταυτόχρονα να καλύψει το κενό που έχει προκύψει. Ο σχεδιασμός και η υλοποίηση της πειραματικής διαδικασίας πραγματοποιείται βάσει ενός αναλυτικού και αυστηρού πρωτοκόλλου που δημιουργήθηκε για την παρούσα έρευνα. Ειδικά για τις ανάγκες της έρευνας αναπτύχθηκαν δύο πρωτότυπα σενάρια στον προσομοιωτή οδήγησης, και δύο προσαρμοσμένα λογισμικά, ένα λογισμικό για το συγχρονισμό και τον έλεγχο των συστημάτων εξοπλισμού, και ένα λογισμικό μετεπεξεργασίας δεδομένων. Η στατιστική μεθοδολογία που αναπτύχθηκε συνδυάζει πλήθος αναλύσεων για την πληρέστερη αξιοποίηση των συλλεχθέντων δεδομένων προς την παραγωγή γόνιμων συμπερασμάτων. Μέσω κατάλληλων στατιστικών αναλύσεων πραγματοποιείται διερεύνηση συσχετίσεων ανάμεσα σε παραμέτρους της οδηγικής συμπεριφοράς (χρόνος και τρόπος αντίδρασης σε μη αναμενόμενο συμβάν), του περιβάλλοντος (καλή/περιορισμένη ορατότητα, υπεραστικό/αστικό οδικό δίκτυο), του οδηγού (φύλο, ηλικία, νοητικό φορτίο) και στη διενέργεια ατυχήματος σε μη αναμενόμενο συμβάν. Στη συνέχεια η διατριβή διερευνά τη διαφοροποίησης του χρόνου αντίδρασης του οδηγού σε μη αναμενόμενα συμβάντα σε συνθήκες καλής και περιορισμένης ορατότητας με τη χρήση γενικευμένων γραμμικών μοντέλων, και προτείνει 2 μοντέλα λογιστικής γραμμικής παλινδρόμησης μικτών επιδράσεων για την εκτίμηση της διενέργειας ατυχήματος σε μη αναμενόμενο συμβάν. Το αποτέλεσμα είναι η δημιουργία προτάσεων για τη βελτίωση της οδικής ασφάλειας, με γνώμονα τις καθοδηγητικές αρχές της Προσέγγισης Ασφαλούς Συστήματος, ως προς την επικαιροποίηση της νομοθεσίας, την εκπαίδευση των οδηγών και την ευαισθητοποίηση στην οδική ασφάλεια, τον σχεδιασμό των οχημάτων, της οδού και του περιβάλλοντος, και την ανάγκη για περαιτέρω διερεύνηση.