Exploration of smart infrastructure for drivers of autonomous vehicles

The connection between vehicles and infrastructure is an integral part of providing autonomous vehicles information about the environment. Autonomous vehicles need to be safe and users need to trust their driving decision. When smart infrastructure information is integrated into the vehicle, the driver needs to be informed in an understandable manner what the smart infrastructure detected. Nevertheless, interactions that benefit from smart infrastructure have not been the focus of research, leading to knowledge gaps in the integration of smart infrastructure information in the vehicle. For example, it is unclear, how the information from two complex systems can be presented, and if decisions are made, how these can be explained. Enriching the data of vehicles with information from the infrastructure opens unexplored opportunities. Smart infrastructure provides vehicles with information to predict traffic flow and traffic events. Additionally, it has information about traffic events in several kilometers distance and thus enables a look ahead on a traffic situation, which is not in the immediate view of drivers. We argue that this smart infrastructure information can be used to enhance the driving experience. To achieve this, we explore designing novel interactions, providing warnings and visualizations about information that is out of the view of the driver, and offering explanations for the cause of changed driving behavior of the vehicle. This thesis focuses on exploring the possibilities of smart infrastructure information with a focus on the highway. The first part establishes a design space for 3D in-car augmented reality applications that profit from smart infrastructure information. Through the input of two focus groups and a literature review, use cases are investigated that can be introduced in the vehicle's interaction interface which, among others, rely on environment information. From those, a design space that can be used to design novel in-car applications is derived. The second part explores out-of-view visualizations before and during take over requests to increase situation awareness. With three studies, different visualizations for out-of-view information are implemented in 2D, stereoscopic 3D, and augmented reality. Our results show that visualizations improve the situation awareness about critical events in larger distances during take over request situations. In the third part, explanations are designed for situations in which the vehicle drives unexpectedly due to unknown reasons. Since smart infrastructure could provide connected vehicles with out-of-view or cloud information, the driving maneuver of the vehicle might remain unclear to the driver. Therefore, we explore the needs of drivers in those situations and derive design recommendations for an interface which displays the cause for the unexpected driving behavior. This thesis answers questions about the integration of environment information in vehicles'. Three important aspects are explored, which are essential to consider when implementing use cases with smart infrastructure in mind. It enables to design novel interactions, provides insights on how out-of-view visualizations can improve the drivers' situation awareness and explores unexpected driving situations and the design of explanations for them. Overall, we have shown how infrastructure and connected vehicle information can be introduced in vehicles' user interface and how new technology such as augmented reality glasses can be used to improve the driver's perception of the environment.Autonome Fahrzeuge werden immer mehr in den alltäglichen Verkehr integriert. Die Verbindung von Fahrzeugen mit der Infrastruktur ist ein wesentlicher Bestandteil der Bereitstellung von Umgebungsinformationen in autonome Fahrzeugen. Die Erweiterung der Fahrzeugdaten mit Informationen der Infrastruktur eröffnet ungeahnte Möglichkeiten. Intelligente Infrastruktur übermittelt verbundenen Fahrzeugen Informationen über den prädizierten Verkehrsfluss und Verkehrsereignisse. Zusätzlich können Verkehrsgeschehen in mehreren Kilometern Entfernung übermittelt werden, wodurch ein Vorausblick auf einen Bereich ermöglicht wird, der für den Fahrer nicht unmittelbar sichtbar ist. Mit dieser Dissertation wird gezeigt, dass Informationen der intelligenten Infrastruktur benutzt werden können, um das Fahrerlebnis zu verbessern. Dies kann erreicht werden, indem innovative Interaktionen gestaltet werden, Warnungen und Visualisierungen über Geschehnisse außerhalb des Sichtfelds des Fahrers vermittelt werden und indem Erklärungen über den Grund eines veränderten Fahrzeugverhaltens untersucht werden. Interaktionen, welche von intelligenter Infrastruktur profitieren, waren jedoch bisher nicht im Fokus der Forschung. Dies führt zu Wissenslücken bezüglich der Integration von intelligenter Infrastruktur in das Fahrzeug. Diese Dissertation exploriert die Möglichkeiten intelligenter Infrastruktur, mit einem Fokus auf die Autobahn. Der erste Teil erstellt einen Design Space für Anwendungen von augmentierter Realität (AR) in 3D innerhalb des Autos, die unter anderem von Informationen intelligenter Infrastruktur profitieren. Durch das Ergebnis mehrerer Studien werden Anwendungsfälle in einem Katalog gesammelt, welche in die Interaktionsschnittstelle des Autos einfließen können. Diese Anwendungsfälle bauen unter anderem auf Umgebungsinformationen. Aufgrund dieser Anwendungen wird der Design Space entwickelt, mit Hilfe dessen neuartige Anwendungen für den Fahrzeuginnenraum entwickelt werden können. Der zweite Teil exploriert Visualisierungen für Verkehrssituationen, die außerhalb des Sichtfelds des Fahrers sind. Es wird untersucht, ob durch diese Visualisierungen der Fahrer besser auf ein potentielles Übernahmeszenario vorbereitet wird. Durch mehrere Studien wurden verschiedene Visualisierungen in 2D, stereoskopisches 3D und augmentierter Realität implementiert, die Szenen außerhalb des Sichtfelds des Fahrers darstellen. Diese Visualisierungen verbessern das Situationsbewusstsein über kritische Szenarien in einiger Entfernung während eines Übernahmeszenarios. Im dritten Teil werden Erklärungen für Situationen gestaltet, in welchen das Fahrzeug ein unerwartetes Fahrmanöver ausführt. Der Grund des Fahrmanövers ist dem Fahrer dabei unbekannt. Mit intelligenter Infrastruktur verbundene Fahrzeuge erhalten Informationen, die außerhalb des Sichtfelds des Fahrers liegen oder von der Cloud bereit gestellt werden. Dadurch könnte der Grund für das unerwartete Fahrverhalten unklar für den Fahrer sein. Daher werden die Bedürfnisse des Fahrers in diesen Situationen erforscht und Empfehlungen für die Gestaltung einer Schnittstelle, die Erklärungen für das unerwartete Fahrverhalten zur Verfügung stellt, abgeleitet. Zusammenfassend wird gezeigt wie Daten der Infrastruktur und Informationen von verbundenen Fahrzeugen in die Nutzerschnittstelle des Fahrzeugs implementiert werden können. Zudem wird aufgezeigt, wie innovative Technologien wie AR Brillen, die Wahrnehmung der Umgebung des Fahrers verbessern können. Durch diese Dissertation werden Fragen über Anwendungsfälle für die Integration von Umgebungsinformationen in Fahrzeugen beantwortet. Drei wichtige Themengebiete wurden untersucht, welche bei der Betrachtung von Anwendungsfällen der intelligenten Infrastruktur essentiell sind. Durch diese Arbeit wird die Gestaltung innovativer Interaktionen ermöglicht, Einblicke in Visualisierungen von Informationen außerhalb des Sichtfelds des Fahrers gegeben und es wird untersucht, wie Erklärungen für unerwartete Fahrsituationen gestaltet werden können

Human Machine Interaction

In this book, the reader will find a set of papers divided into two sections. The first section presents different proposals focused on the human-machine interaction development process. The second section is devoted to different aspects of interaction, with a special emphasis on the physical interaction

Developing a distributed electronic health-record store for India

The DIGHT project is addressing the problem of building a scalable and highly available information store for the Electronic Health Records (EHRs) of the over one billion citizens of India

The organisational precursors to human automation interaction issues in safety-critical domains: the case of an automated alarm system from the air traffic management domain

Much has been written about the side effects of automation in complex safety-critical domains, such as air traffic management, aviation, nuclear power generation, and healthcare. Here, human factors and safety researchers have long acknowledged that the potential of automation to increase cost-effectiveness, quality of service and safety, is accompanied by undesired side effects or issues in human automation interaction (HAI). Such HAI issues may introduce the potential for increased confusion, uncertainty, and frustration amongst sharp end operators, i.e. the users of automation. These conditions may result in operators to refuse to use the automation, in impaired ability of operators to control the hazardous processes for which they are responsible, and in new, unintended paths to safety failure. The present thesis develops a qualitative framework of the organisational precursors to HAI issues (OPHAII) that can be found in safety-critical domains. Organisational precursors denote those organisational and managerial conditions that, although distant in time and space from the operational environment, may actually influence the quality of HAI found there. Such precursors have been extensively investigated by organisational safety (OS) scholars in relation to the occurrence of accidents and disasters—although not HAI issues. Thus, the framework’s development is motivated by the intent to explore the theoretical gap lying at the intersection between the OS area and the current perspectives on the problem—the human computer interaction (HCI) and the system lifecycle ones. While considering HAI issues as a design problem or a failure in human factors integration and/or safety assurance respectively, both perspectives, in fact, ignore, the organisational roots of the problem. The OPHAII framework was incrementally developed based on three qualitative studies: two successive, historical, case studies coupled with a third corroboratory expert study. The first two studies explored the organisational precursors to a known HAI issue: the nuisance alert problem relative to an automated alarm system from the air traffic management domain. In particular, the first case study investigated retrospectively the organisational response to the nuisance alert problem in the context of the alarm’s implementation and improvement in the US between 1977 and 2006. The second case study has a more contemporary focus, and examined at the organisational response to the same problem within two European Air Navigation Service Providers between 1990 and 2010. The first two studies produced a preliminary version of the framework. The third study corroborated and refined this version by subjecting it to the criticism from a panel of 11 subject matter experts. The resulting framework identifies three classes of organisational precursors: (i) the organisational assumptions driving automation adoption and improvement; (2) the availability of specific organisational capabilities for handling HAI issues; and (3) the control of implementation quality at the boundary between the service provider and the software manufacturer. These precursors advance current understanding of the organisational factors involved in the (successful and problematic) handling of HAI issues within safety-critical service provider organisations. Its dimensions support the view that HAI issues can be seen as and organisational phenomenon—an organisational problem that can be the target of analysis and improvements complementary to those identified by the HCI and the system lifecycle perspectives