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Development of Human-Vehicle Interaction Models and Human-in-the-loop Evaluation Framework Considering Levels of Automated Driving

자율주행 단계를 고려한 HVI 모델 및 Human-in-the-loop 평가 프로세스 프레임워크 개발

초록/요약

인간-차량 상호작용(Human-Vehicle Interaction, HVI)의 평가 대상은 다양하지만, 일반적으로 문제 정의, 문헌 조사, 가설 설정, 실험 설계, 데이터 수집 및 분석, 결론 도출이라는 프로세스를 따른다. 이 과정에서 두 가지 연구 동기가 대두되었다. 첫 번째는 평가 대상뿐만 아니라 사용자의 행동에 대한 설명도 필요하다는 것이다. 이를 위해 human model로 설명하고자 하지만, 다양한 HVI 이슈를 다루지 못한다는 한계가 있다. 두 번째는 연구자를 위한 human-in-the-loop 실험 체계가 필요하다는 것이다. 차량의 사용성 평가를 위해 가상환경 기반의 주행 시뮬레이터를 사용하는 경우, 상당한 시간과 비용이 소요된다. 그러나 기존의 평가 방법들은 실험실의 노하우나 내부 기술 문서에 의존하고 있으며, 학술 논문의 경우, 실제 실험에 적용하기 어렵다는 제약이 있다. 이러한 한계점을 반영하여, 본 학위 논문에서는 크게 두 가지 주제를 제안하고 연구를 수행한다. 첫 번째는 운전자의 행동을 설명하는 HVI 모델을 개발하는 것이다. 이는 선행 문헌에서 제안된 human model을 결합하는 방법을 사용하였는데, 본 연구에서는 skill-rule-knowledge model, control hierarchy model 및 SAE J3016에서 제안된 schematic view of driving task showing DDT portion을 결합했다. 이는 주행 상황에서의 운전자 (인지, 판단, 계획, 제어 및 의식 제어 수준 – 기술, 규칙, 지식), 차량, 환경의 상호작용을 표현한다. 이 모델은 두 가지 시뮬레이터 연구에 적용되었다. 첫 번째는 규칙 기반의 HVI 모델로, 레벨 3 수준의 자율주행 시스템이 해제되는 상황에서, 시스템이 사람인 운전자에게 운전 제어권을 이양하는 상황이다, 두 번째는 기술, 규칙, 지식 기반으로 확장된 HVI 모델이다. 운전자가 차선변경 중 위험 상황 (traffic conflict)을 피하는 작업을 기술, 규칙, 혹은 지식 기반의 작업으로 인식하는지 확인하였으며, 인지 실패 여부, 그리고 traffic conflict의 연관성을 확인한다. 두 번째는 주행 시뮬레이터를 활용한 Human-in-the-loop 평가 프로세스 프레임워크를 개발하는 것이다. 이는 경력이 적은 연구자를 대상자로 한다. 2017년부터 2021년까지 개발된 제어권 전환 안전성 평가 방법론을 체계화하였으며, 다양한 HVI 이슈로 확장하였다. 프레임워크는 변수 선정, 실험 설계, 실험 환경 구축, IRB 심의, 데이터 취득 그리고 분석을 포함한 전반적인 시뮬레이터 평가 절차를 다룬다. 이 프레임워크는 두 가지 시뮬레이터 실험에 적용되었다. 첫 번째는 실험 설계, 구현 및 진행 복잡도가 낮은 실험으로, 일반인을 대상으로 수동주행 중 위험상황 시 운전자 반응을 평가하는 실험이다. 두 번째는 복잡도가 높은 실험으로, 전문가를 대상으로 디스플레이의 구성 그리고 시트 회전에 따른 탑승자의 감성을 평가하는 실험이다. 본 연구에서 개발된 프레임워크는 시뮬레이터 평가의 체계성과 재현성을 보장하도록 한다. 이는 운전자 행동에 대한 이해를 깊게 할 뿐만 아니라, 더 안전하고 사용자 친화적인 차량의 개발을 지원한다.

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초록/요약

Human-Vehicle Interaction (HVI) evaluations encompass a wide range of aspects and typically follow a structured process from problem definition to conclusion. This research was motivated by two key challenges emerging from this process. First, there is a need to explain user behavior more comprehensively, going beyond mere system evaluation. Second, there is a consistent demand for a systematic human-in-the-loop experimental framework. For instance, methods for evaluating HVI using driving simulators often depend on lab-specific expertise and internal documentation. This dissertation explores two main themes reflecting the aforementioned challenges. The first theme is the development of an HVI model that explains driver behavior. This model was constructed by integrating human models from prior studies, including the skill-rule-knowledge model, the control hierarchy model, and the schematic view of the driving task, which incorporates the DDT portion outlined in SAE J3016. The resulting model captures the interactions between the driver (cognition, decision-making, planning, and control at various levels – skill, rule, and knowledge), the vehicle, and the environment during driving. This model was validated through two simulator studies. The first study focused on a rule-based HVI model, examining scenarios where Level 3 automated driving systems disengage and control is transferred back to human drivers. The second study extended the model to encompass skill-, rule-, and knowledge-based operations. It investigated whether drivers perceived lane-change tasks during traffic conflicts as skill-, rule-, or knowledge-based tasks, and explored the relationship between cognitive failures and traffic conflicts. The second theme is the development of a systematic Human-in-the-Loop evaluation process framework, designed for novice researchers utilizing driving simulators. This framework builds upon the evaluation methodology for safe takeovers established between 2017 and 2021, extending its applicability to a broader range of HVI issues. It encompasses the entire simulator evaluation process, including variable selection, experimental design, setup of the experimental environment, IRB review, data acquisition, and analysis. This framework was also validated through two simulator experiments. The first experiment, which involved general participants, employed a low-complexity setup to evaluate driver responses to hazardous situations during manual driving. The second experiment targeted expert participants and used a high-complexity setup to assess passenger emotions based on display configurations and seat rotation. The framework developed in this research ensures systematic and reproducible simulator evaluations, which not only deepen our understanding of driver behavior but also support the development of safer, more user-friendly vehicles.

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목차

Chapter 1 Introduction 1
1.1 Background and Motivation 1
1.2 Research Aim and Objectives 3
1.3 Structure of the Dissertation 3
Chapter 2 Related Works 5
2.1 Human-Vehicle Interaction Issues 5
2.1.1 Human-Vehicle Interaction in the Driving Environment 5
2.1.2 Human-Vehicle Interaction for Driver Safety 6
2.1.3 Comfort and Care for Driver and Passenger 8
2.2 Human-in-the-loop Evaluation 11
2.2.1 Evaluation Methods from a Human Factors Perspective 11
2.2.2 User and Vehicle Evaluation Methods 11
2.3 Human Models 15
2.3.1 Theory-based Behavior Model 16
2.3.2 Physics-based Behavior Model 25
2.3.3 Human and Automation Model 26
2.3.4 Human Behavior Models in Driving Context 29
2.4 Research Gaps and Research Questions 32
2.4.1 Identification of Research Gaps 32
2.4.2 Proposal of Research Questions 34
2.5 Research Methodology 34
Chapter 3 Development of Human-Vehicle Interaction Models 36
3.1 Definition of HVI Model 36
3.2 Development of HVI Models 36
3.3 HVI Model for Automation Levels 42
Chapter 4 Experimental Application on Human-Vehicle Interaction Model 48
4.1 Case Study 1: Rule-based HVI Model 48
4.1.1 Development of HVI Model 48
4.1.2 Experimental Design 53
4.1.3 Experimental Procedure 54
4.1.4 Results and Findings 56
4.2 Case Study 2: Skill-Rule-Knowledge-based HVI Model 58
4.2.1 Development of HVI Model 58
4.2.2 Experimental Design 66
4.2.3 Experimental Procedure 68
4.2.4 Results and Findings 70
Chapter 5 Development of the Human-in-the-loop Evaluation Process Framework 76
5.1 Theoretical Background 77
5.2 Development of the Human-in-the-loop Evaluation Process Framework 77
Chapter 6 Experimental Application on the Human-in-the-loop Evaluation Process Framework 90
6.1 Case Study 1: Low-Complexity Evaluation 91
6.1.1 Human-in-the-loop Evaluation Process Framework 91
6.1.2 Application of the Human-in-the-loop Evaluation Process Framework 92
6.1.3 Results and Findings 102
6.2 Case Study 2: High-Complexity Evaluation 107
6.2.1 Human-in-the-loop Evaluation Process Framework 107
6.2.2 Application of the Human-in-the-loop Evaluation Process Framework 108
6.2.3 Results and Findings 126
Chapter 7 Discussion 140
7.1 Discussion of HVI Models 140
7.1.1 Discussion of Results and Implications 140
7.1.2 Comparison of Existing Studies 141
7.1.3 Limitations and Future Works 143
7.2 Discussion of the Human-in-the-loop Evaluation Process Framework 145
7.2.1 Discussion of Results and Implications 145
7.2.2 Comparison of Existing Studies 145
7.2.3 Limitations and Future Works 146
7.3 Extended Discussion 147
Chapter 8 Conclusions 148
8.1 Summary of the Dissertation 148
8.2 Research Outputs and Implications 149
8.2.1 HVI Models 149
8.2.2 Human-in-the-loop Evaluation Process Framework 149
8.3 Novelty of the Dissertation 150
Reference 152
국 문 요 약 165
Appendix 167
감 사 의 글 183

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