Virtual Reality (VR) driving simulator for analysis of driver behavior

Road traffic accident has become a global concern as it makes up a significant portion of the worldwide burden of ill-health and death. Researches have shown that human factors are the main contributing factors to traffic fatalities and traditional approach to control driver behavior such as strict enforcement to traffic regulations is viewed insufficient for eliminating road crashes. The new approach has been targeted to enhance driver’s capability through the improvement of vehicle and roadway designs. Nevertheless, the proper design of vehicle and roadway is impossible to achieve without a set of tools that permits rapid creation and evaluation of design solution at minimum cost. Driving simulator emerges as a promising technology to address the design problem in the most effective possible way. This thesis presents the setup of a fixed-based driving simulator integrated with physiological sensors to assess the psychophysiological factors of driver behavior. The possibility to create unlimited number of interactive and modifiable driving environment in driving simulator and the assessment of this aspect would enable the development of road design solutions to be simulated and evaluated based on user-centered approach. The importance of physiological information to infer driver’s state has been actively studied, from which driver monitoring system to detect the critical state of the driver (e.g. fatigue and stress) has been developed. Nevertheless, the utilization of this information as data input for improving driver’s interaction with various components of the road system is still scarce. The studies in this area might have been hindered, owing to the lack of specific physiological indexes capable of discriminating a certain physiological state that could be induced by different mechanisms of physiological responses. This shortage, therefore, has also limited the identification of design solution that is fully suited to drivers’ condition and capability in achieving various goals of mobility. Therefore, the aim of this thesis is to investigate some physiological indexes that are useful to capture drivers’ cognitive operations generated by the interaction with various components of the road system. The identification of specific physiological indexes is expected to foster the research and development of road safety solutions that are more fitted to human cognition system and to enhance the comprehension of cognitive-related driver behavior changes. The challenges of a Virtual Reality (VR) fixed-based driving simulator development, the comparison study of behavior and physiological data with the field testing, the use of driving simulator to analyze the psychophysiological factors while driving with advanced driver assistance system (ADAS) and young driver risk-taking behavior analysis in driving abroad context are provided in this study. In chapter 1, the challenges in the development of driving simulator and the opportunities for its use in driver behavior analysis and the design of road safety solutions are discussed. Hardware and software implementations to address the issues in driving simulator development are presented. In chapter 2, the study aimed for assessing the validity of a fixed-based driving simulator is presented. This study examines the type of physiological and behavior data that can be reliably predicted in urban simulated driving with respect to field study. A pilot study has been conducted prior to the validation study and the results have shown that driving simulator seems possible to generate the comparable driver behavior and physiological response with real-life driving. Further study will proceed to driving simulator validation to examine to what extent a fixed-based driving simulator can be used as a valid tool for road safety measures as well as its effectiveness for design and development of road safety countermeasures. In chapter 3, the study was focused on using the physiological indexes in driver’s workload analysis to assess the impact of different driving conditions on driver’s interaction with visual ADAS. The results showed that using specific physiological indexes (i.e., cardiac activity), the effect of different driving conditions on driver’s workload while driving with visual ADAS can be differentiated, along with their distinct impact on user experience and driving performance. Through this study, the proposed measures could help to design a new adaptive working modality for visual ADAS on the account of dynamic driving condition. In chapter 4, the study was oriented to address the emergence issue of accident risk for young drivers while driving abroad. The purpose of this study sought to find how variables like familiarity and type of road intersection influence driver’s decision making in time-constraint driving context and how factors like driving skill and risk perception moderate the likelihood of violation. The result of the study showed that under time-pressure, traffic violation on certain road segment was mediated by self-assessment of driving skill. The finding thus highlights the importance of driving skills beside road regulation knowledge in determining risky behavior for driving abroad context. In chapter 5, taken altogether, the conclusion toward the research endeavors to analyze psychophysiological factors of driver behavior in a fixed-based driving simulator in this study is presented. Further studies for addressing the road safety issues and design and evaluation of road traffic solutions are provided.

L'incidente stradale è diventato una preoccupazione globale in quanto costituisce una parte significativa del carico mondiale di problemi di salute e morte. Le ricerche hanno dimostrato che i fattori umani sono i principali fattori che contribuiscono alle vittime del traffico e l'approccio tradizionale al controllo del comportamento dei conducenti, come una rigorosa applicazione delle norme sul traffico, è considerato insufficiente per eliminare gli incidenti stradali. Il nuovo approccio è stato mirato a migliorare le capacità del guidatore attraverso il miglioramento dei progetti di veicoli e strade. Tuttavia, la corretta progettazione del veicolo e della carreggiata è impossibile da ottenere senza una serie di strumenti che consentano una rapida creazione e valutazione della soluzione di progettazione a costi minimi. Il simulatore di guida emerge come una tecnologia promettente per affrontare il problema del design nel modo più efficace possibile. Questa tesi presenta l'impostazione di un simulatore di guida a base fissa integrato con sensori fisiologici per valutare i fattori psicofisiologici del comportamento del guidatore. La possibilità di creare un numero illimitato di ambienti di guida interattivi e modificabili nel simulatore di guida e la valutazione di questo aspetto consentirebbe di simulare e valutare lo sviluppo di soluzioni di progettazione stradale basate sull'approccio centrato sull'utente. L'importanza dell'informazione fisiologica per dedurre lo stato del guidatore è stata attivamente studiata, da cui è stato sviluppato il sistema di monitoraggio del guidatore per rilevare lo stato critico del guidatore (ad esempio fatica e stress). Tuttavia, l'utilizzo di queste informazioni come input di dati per migliorare l'interazione del guidatore con i vari componenti del sistema stradale è ancora scarso. Gli studi in quest'area potrebbero essere stati ostacolati, a causa della mancanza di specifici indici fisiologici in grado di discriminare un certo stato fisiologico che potrebbe essere indotto da diversi meccanismi di risposte fisiologiche. Questa carenza, pertanto, ha anche limitato l'identificazione della soluzione di progettazione che è perfettamente adatta alle condizioni e alle capacità dei conducenti nel raggiungimento di vari obiettivi di mobilità. Pertanto, lo scopo di questa tesi è di indagare su alcuni indici fisiologici utili per catturare le operazioni cognitive dei conducenti generate dall'interazione con i vari componenti del sistema stradale. Si prevede che l'identificazione di specifici indici fisiologici promuova la ricerca e lo sviluppo di soluzioni per la sicurezza stradale che siano più adatte al sistema di cognizione umana e per migliorare la comprensione dei cambiamenti comportamentali legati al comportamento cognitivo. Le sfide di uno sviluppo del simulatore di guida basato su realtà virtuale (VR), lo studio comparativo del comportamento e dei dati fisiologici con il field test, l'uso del simulatore di guida per analizzare i fattori psicofisiologici durante la guida con il sistema avanzato di assistenza alla guida (ADAS) e In questo studio vengono fornite le analisi comportamentali di assunzione di rischi da parte dei giovani guidatori nel contesto di guida all'estero. Nel capitolo 1 vengono discusse le sfide nello sviluppo del simulatore di guida e le opportunità per il suo utilizzo nell'analisi del comportamento del guidatore e nella progettazione di soluzioni per la sicurezza stradale. Presentiamo implementazioni hardware e software per affrontare i problemi nello sviluppo del simulatore di guida. Nel capitolo 2 viene presentato lo studio volto a valutare la validità di un simulatore di guida a base fissa. Questo studio esamina il tipo di dati fisiologici e comportamentali che possono essere previsti in modo affidabile nella guida simulata urbana rispetto allo studio sul campo. Uno studio pilota è stato condotto prima dello studio di convalida ei risultati hanno mostrato che il simulatore di guida sembra possibile generare il comportamento del guidatore e la risposta fisiologica comparabili con la guida in condizioni reali. Ulteriori studi procederanno alla convalida del simulatore di guida per esaminare in quale misura un simulatore di guida a base fissa può essere utilizzato come valido strumento per le misure di sicurezza stradale e la sua efficacia per la progettazione e lo sviluppo di contromisure per la sicurezza stradale. Nel capitolo 3, lo studio si è concentrato sull'utilizzo degli indici fisiologici nell'analisi del carico di lavoro del conducente per valutare l'impatto delle diverse condizioni di guida sull'interazione dell'autista con l'ADAS visivo. I risultati hanno mostrato che utilizzando specifici indici fisiologici (cioè attività cardiaca), l'effetto delle diverse condizioni di guida sul carico di lavoro del conducente durante la guida con ADAS visivo può essere differenziato, insieme al loro impatto distinto sull'esperienza utente e le prestazioni di guida. Attraverso questo studio, le misure proposte potrebbero aiutare a progettare una nuova modalità di lavoro adattativa per l'ADAS visivo sul conto della condizione di guida dinamica. Nel capitolo 4, lo studio era orientato ad affrontare il problema dell'emergenza del rischio di incidenti per i giovani conducenti durante la guida all'estero. Lo scopo di questo studio ha cercato di scoprire in che modo variabili come familiarità e tipo di intersezione stradale influenzano il processo decisionale del guidatore nel contesto di guida con vincoli di tempo e come fattori come abilità di guida e percezione del rischio moderano la probabilità di violazione. Il risultato dello studio ha dimostrato che sotto la pressione del tempo, la violazione del traffico su alcuni segmenti stradali era mediata dall'autovalutazione delle abilità di guida. La scoperta sottolinea quindi l'importanza delle capacità di guida oltre alla conoscenza della normativa stradale nel determinare i comportamenti a rischio per guidare il contesto all'estero. Nel capitolo 5, preso nel complesso, viene presentata la conclusione verso gli sforzi di ricerca per analizzare i fattori psicofisiologici del comportamento del guidatore in un simulatore di guida a base fissa in questo studio. Sono forniti ulteriori studi per affrontare i problemi di sicurezza stradale e la progettazione e la valutazione delle soluzioni per il traffico stradale.