An enactive approach to perceptual augmentation in mobility

Event predictions are an important constituent of situation awareness, which is a key objective for many applications in human-machine interaction, in particular in driver assistance. This work focuses on facilitating event predictions in dynamic environments. Its primary contributions are 1) the theoretical development of an approach for enabling people to expand their sampling and understanding of spatiotemporal information, 2) the introduction of exemplary systems that are guided by this approach, 3) the empirical investigation of effects functional prototypes of these systems have on human behavior and safety in a range of simulated road traffic scenarios, and 4) a connection of the investigated approach to work on cooperative human-machine systems. More specific contents of this work are summarized as follows: The first part introduces several challenges for the formation of situation awareness as a requirement for safe traffic participation. It reviews existing work on these challenges in the domain of driver assistance, resulting in an identification of the need to better inform drivers about dynamically changing aspects of a scene, including event probabilities, spatial and temporal distances, as well as a suggestion to expand the scope of assistance systems to start informing drivers about relevant scene elements at an early stage. Novel forms of assistance can be guided by different fundamental approaches that target either replacement, distribution, or augmentation of driver competencies. A subsequent differentiation of these approaches concludes that an augmentation-guided paradigm, characterized by an integration of machine capabilities into human feedback loops, can be advantageous for tasks that rely on active user engagement, the preservation of awareness and competence, and the minimization of complexity in human- machine interaction. Consequently, findings and theories about human sensorimotor processes are connected to develop an enactive approach that is consistent with an augmentation perspective on human-machine interaction. The approach is characterized by enabling drivers to exercise new sensorimotor processes through which safety-relevant spatiotemporal information may be sampled. In the second part of this work, a concept and functional prototype for augmenting the perception of traffic dynamics is introduced as a first example for applying principles of this enactive approach. As a loose expression of functional biomimicry, the prototype utilizes a tactile inter- face that communicates temporal distances to potential hazards continuously through stimulus intensity. In a driving simulator study, participants quickly gained an intuitive understanding of the assistance without instructions and demonstrated higher driving safety in safety-critical highway scenarios. But this study also raised new questions such as whether benefits are due to a continuous time-intensity encoding and whether utility generalizes to intersection scenarios or highway driving with low criticality events. Effects of an expanded assistance prototype with lane-independent risk assessment and an option for binary signaling were thus investigated in a separate driving simulator study. Subjective responses confirmed quick signal understanding and a perception of spatial and temporal stimulus characteristics. Surprisingly, even for a binary assistance variant with a constant intensity level, participants reported perceiving a danger-dependent variation in stimulus intensity. They further felt supported by the system in the driving task, especially in difficult situations. But in contrast to the first study, this support was not expressed by changes in driving safety, suggesting that perceptual demands of the low criticality scenarios could be satisfied by existing driver capabilities. But what happens if such basic capabilities are impaired, e.g., due to poor visibility conditions or other situations that introduce perceptual uncertainty? In a third driving simulator study, the driver assistance was employed specifically in such ambiguous situations and produced substantial safety advantages over unassisted driving. Additionally, an assistance variant that adds an encoding of spatial uncertainty was investigated in these scenarios. Participants had no difficulties to understand and utilize this added signal dimension to improve safety. Despite being inherently less informative than spatially precise signals, users rated uncertainty-encoding signals as equally useful and satisfying. This appreciation for transparency of variable assistance reliability is a promising indicator for the feasibility of an adaptive trust calibration in human-machine interaction and marks one step towards a closer integration of driver and vehicle capabilities. A complementary step on the driver side would be to increase transparency about the driver’s mental states and thus allow for mutual adaptation. The final part of this work discusses how such prerequisites of cooperation may be achieved by monitoring mental state correlates observable in human behavior, especially in eye movements. Furthermore, the outlook for an addition of cooperative features also raises new questions about the bounds of identity as well as practical consequences of human-machine systems in which co-adapting agents may exercise sensorimotor processes through one another.Die Vorhersage von Ereignissen ist ein Bestandteil des Situationsbewusstseins, dessen Unterstützung ein wesentliches Ziel diverser Anwendungen im Bereich Mensch-Maschine Interaktion ist, insbesondere in der Fahrerassistenz. Diese Arbeit zeigt Möglichkeiten auf, Menschen bei Vorhersagen in dynamischen Situationen im Straßenverkehr zu unterstützen. Zentrale Beiträge der Arbeit sind 1) eine theoretische Auseinandersetzung mit der Aufgabe, die menschliche Wahrnehmung und das Verständnis von raum-zeitlichen Informationen im Straßenverkehr zu erweitern, 2) die Einführung beispielhafter Systeme, die aus dieser Betrachtung hervorgehen, 3) die empirische Untersuchung der Auswirkungen dieser Systeme auf das Nutzerverhalten und die Fahrsicherheit in simulierten Verkehrssituationen und 4) die Verknüpfung der untersuchten Ansätze mit Arbeiten an kooperativen Mensch-Maschine Systemen. Die Arbeit ist in drei Teile gegliedert: Der erste Teil stellt einige Herausforderungen bei der Bildung von Situationsbewusstsein vor, welches für die sichere Teilnahme am Straßenverkehr notwendig ist. Aus einem Vergleich dieses Überblicks mit früheren Arbeiten zeigt sich, dass eine Notwendigkeit besteht, Fahrer besser über dynamische Aspekte von Fahrsituationen zu informieren. Dies umfasst unter anderem Ereigniswahrscheinlichkeiten, räumliche und zeitliche Distanzen, sowie eine frühere Signalisierung relevanter Elemente in der Umgebung. Neue Formen der Assistenz können sich an verschiedenen grundlegenden Ansätzen der Mensch-Maschine Interaktion orientieren, die entweder auf einen Ersatz, eine Verteilung oder eine Erweiterung von Fahrerkompetenzen abzielen. Die Differenzierung dieser Ansätze legt den Schluss nahe, dass ein von Kompetenzerweiterung geleiteter Ansatz für die Bewältigung jener Aufgaben von Vorteil ist, bei denen aktiver Nutzereinsatz, die Erhaltung bestehender Kompetenzen und Situationsbewusstsein gefordert sind. Im Anschluss werden Erkenntnisse und Theorien über menschliche sensomotorische Prozesse verknüpft, um einen enaktiven Ansatz der Mensch-Maschine Interaktion zu entwickeln, der einer erweiterungsgeleiteten Perspektive Rechnung trägt. Dieser Ansatz soll es Fahrern ermöglichen, sicherheitsrelevante raum-zeitliche Informationen über neue sensomotorische Prozesse zu erfassen. Im zweiten Teil der Arbeit wird ein Konzept und funktioneller Prototyp zur Erweiterung der Wahrnehmung von Verkehrsdynamik als ein erstes Beispiel zur Anwendung der Prinzipien dieses enaktiven Ansatzes vorgestellt. Dieser Prototyp nutzt vibrotaktile Aktuatoren zur Kommunikation von Richtungen und zeitlichen Distanzen zu möglichen Gefahrenquellen über die Aktuatorposition und -intensität. Teilnehmer einer Fahrsimulationsstudie waren in der Lage, in kurzer Zeit ein intuitives Verständnis dieser Assistenz zu entwickeln, ohne vorher über die Funktionalität unterrichtet worden zu sein. Sie zeigten zudem ein erhöhtes Maß an Fahrsicherheit in kritischen Verkehrssituationen. Doch diese Studie wirft auch neue Fragen auf, beispielsweise, ob der Sicherheitsgewinn auf kontinuierliche Distanzkodierung zurückzuführen ist und ob ein Nutzen auch in weiteren Szenarien vorliegen würde, etwa bei Kreuzungen und weniger kritischem longitudinalen Verkehr. Um diesen Fragen nachzugehen, wurden Effekte eines erweiterten Prototypen mit spurunabhängiger Kollisionsprädiktion, sowie einer Option zur binären Kommunikation möglicher Kollisionsrichtungen in einer weiteren Fahrsimulatorstudie untersucht. Auch in dieser Studie bestätigen die subjektiven Bewertungen ein schnelles Verständnis der Signale und eine Wahrnehmung räumlicher und zeitlicher Signalkomponenten. Überraschenderweise berichteten Teilnehmer größtenteils auch nach der Nutzung einer binären Assistenzvariante, dass sie eine gefahrabhängige Variation in der Intensität von taktilen Stimuli wahrgenommen hätten. Die Teilnehmer fühlten sich mit beiden Varianten in der Fahraufgabe unterstützt, besonders in Situationen, die von ihnen als kritisch eingeschätzt wurden. Im Gegensatz zur ersten Studie hat sich diese gefühlte Unterstützung nur geringfügig in einer messbaren Sicherheitsveränderung widergespiegelt. Dieses Ergebnis deutet darauf hin, dass die Wahrnehmungsanforderungen der Szenarien mit geringer Kritikalität mit den vorhandenen Fahrerkapazitäten erfüllt werden konnten. Doch was passiert, wenn diese Fähigkeiten eingeschränkt werden, beispielsweise durch schlechte Sichtbedingungen oder Situationen mit erhöhter Ambiguität? In einer dritten Fahrsimulatorstudie wurde das Assistenzsystem in speziell solchen Situationen eingesetzt, was zu substantiellen Sicherheitsvorteilen gegenüber unassistiertem Fahren geführt hat. Zusätzlich zu der vorher eingeführten Form wurde eine neue Variante des Prototyps untersucht, welche räumliche Unsicherheiten der Fahrzeugwahrnehmung in taktilen Signalen kodiert. Studienteilnehmer hatten keine Schwierigkeiten, diese zusätzliche Signaldimension zu verstehen und die Information zur Verbesserung der Fahrsicherheit zu nutzen. Obwohl sie inherent weniger informativ sind als räumlich präzise Signale, bewerteten die Teilnehmer die Signale, die die Unsicherheit übermitteln, als ebenso nützlich und zufriedenstellend. Solch eine Wertschätzung für die Transparenz variabler Informationsreliabilität ist ein vielversprechendes Indiz für die Möglichkeit einer adaptiven Vertrauenskalibrierung in der Mensch-Maschine Interaktion. Dies ist ein Schritt hin zur einer engeren Integration der Fähigkeiten von Fahrer und Fahrzeug. Ein komplementärer Schritt wäre eine Erweiterung der Transparenz mentaler Zustände des Fahrers, wodurch eine wechselseitige Anpassung von Mensch und Maschine möglich wäre. Der letzte Teil dieser Arbeit diskutiert, wie diese Transparenz und weitere Voraussetzungen von Mensch-Maschine Kooperation erfüllt werden könnten, indem etwa Korrelate mentaler Zustände, insbesondere über das Blickverhalten, überwacht werden. Des Weiteren ergeben sich mit Blick auf zusätzliche kooperative Fähigkeiten neue Fragen über die Definition von Identität, sowie über die praktischen Konsequenzen von Mensch-Maschine Systemen, in denen ko-adaptive Agenten sensomotorische Prozesse vermittels einander ausüben können

Кибербезопасность в образовательных сетях

The paper discusses the possible impact of digital space on a human, as well as human-related directions in cyber-security analysis in the education: levels of cyber-security, social engineering role in cyber-security of education, “cognitive vaccination”. “A Human” is considered in general meaning, mainly as a learner. The analysis is provided on the basis of experience of hybrid war in Ukraine that have demonstrated the change of the target of military operations from military personnel and critical infrastructure to a human in general. Young people are the vulnerable group that can be the main goal of cognitive operations in long-term perspective, and they are the weakest link of the System.У статті обговорюється можливий вплив цифрового простору на людину, а також пов'язані з людиною напрямки кібербезпеки в освіті: рівні кібербезпеки, роль соціального інжинірингу в кібербезпеці освіти, «когнітивна вакцинація». «Людина» розглядається в загальному значенні, головним чином як та, що навчається. Аналіз надається на основі досвіду гібридної війни в Україні, яка продемонструвала зміну цілей військових операцій з військовослужбовців та критичної інфраструктури на людину загалом. Молодь - це вразлива група, яка може бути основною метою таких операцій в довгостроковій перспективі, і вони є найслабшою ланкою системи.В документе обсуждается возможное влияние цифрового пространства на человека, а также связанные с ним направления в анализе кибербезопасности в образовании: уровни кибербезопасности, роль социальной инженерии в кибербезопасности образования, «когнитивная вакцинация». «Человек» рассматривается в общем смысле, в основном как ученик. Анализ представлен на основе опыта гибридной войны в Украине, которая продемонстрировала изменение цели военных действий с военного персонала и критической инфраструктуры на человека в целом. Молодые люди являются уязвимой группой, которая может быть главной целью когнитивных операций в долгосрочной перспективе, и они являются самым слабым звеном Систем

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

SaPPART White paper. Better use of Global Navigation Satellite Systems for safer and greener transport

Transport and mobility services are crucial to the society that faces important challenges. Up to date, transport facilities and services have been fundamental to economic growth. However, there have significant and unacceptable negative impacts on the environment including pollution, noise and climate change. Therefore, it is paramount that the efficiency of the transport system is improved significantly including lower consumption of energy. A way of achieving this is through the concept of smart transport that exploits Intelligent Transport Systems (ITS) technology. ITS are built on three technology pillars: information, communication and positioning technologies. Of the three technologies, positioning could be argued to be the least familiar amongst transport stakeholders. However, a quick investigation reveals that there are a wide variety of transport and related services often associated with communication technologies that are supported by positioning. Currently, the positioning is provided in the majority of the cases by Global Navigation Satellite System (GNSS), among which the Global Positioning System (GPS) is the pioneer and still the most widely used system. The other current fully operational stand-alone system is Russia’s GLONASS. As these operational systems were not originally and specifically designed for transport applications, the actual capabilities and limitations of the current GNSS are not fully understood by many stakeholders. Therefore, better knowledge of these limitations and their resolution should enable a much more rapid deployment of ITS. This white paper is produced by the members of the COST Action SaPPART with two principal aims. The first is to explain the principles, state-of-the-art performance of GNSS technology and added value in the field of transport. The second aim is to deliver key messages to the stakeholders to facilitate the deployment of GNSS technology and thus contribute to the development of smarter and greener transport systems. The first chapter highlights the important role of positioning in today transport systems and the added value of accurate and reliable positioning for critical systems. The second chapter is about positioning technologies for transport: GNSS and their different aiding and augmentation methods are described, but the other complementary technologies are also introduced. The third and last chapter is about the management of performances inside a positioning-based intelligent transport system, between the positioning system itself and the application-specific part of the system which processes the raw position for delivering its service

Artificial Intelligence-Driven Convergence and its Moderating Effect on Multi-Source Trust Transfer

AI-driven convergence describes how innovative products emerge from the interplay of embedded artificial intelligence (AI) in existing technologies. Trust transfer theory provides an excellent opportunity to deepen prevailing discussions about trust in such converged products. However, AI-driven convergence challenges existing theoretical assumptions. The context-specific interplay of multiple trust sources may affect users’ trust transfer and the predominance of trust sources. We contextualized AI-driven convergence and investigated its impact on multi-source trust transfer. We conducted semi-structured interviews with 25 participants in the context of autonomous vehicles. Our results indicate that users’ perceived trust source control, perceived trust source accessibility, and perceived trust source value creation share may moderate users’ trust transfer. We contribute to research by contextualizing convergence in AI, revealing the impact of AI-driven convergence on trust transfer and the importance of trust as a dynamic construct

Artificial Intelligence-Driven Convergence and its Moderating Effect on Multi-Source Trust Transfer

AI-driven convergence describes how innovative products emerge from the interplay of embedded artificial intelligence (AI) in existing technologies. Trust transfer theory provides an excellent opportunity to deepen prevailing discussions about trust in such converged products. However, AI-driven convergence challenges existing theoretical assumptions. The context-specific interplay of multiple trust sources may affect users’ trust transfer and the predominance of trust sources. We contextualized AI-driven convergence and investigated its impact on multi-source trust transfer. We conducted semi-structured interviews with 25 participants in the context of autonomous vehicles. Our results indicate that users’ perceived trust source control, perceived trust source accessibility, and perceived trust source value creation share may moderate users’ trust transfer. We contribute to research by contextualizing convergence in AI, revealing the impact of AI-driven convergence on trust transfer and the importance of trust as a dynamic construct