A multi-step design for enhancing situation awareness in autonomous vehicle scheduled takeovers

In conditionally automated driving (Level 3), scheduled takeovers (e.g., those required due to exiting the Operational Design Domain) present a critical human-machine interaction challenge. Although scheduled takeovers provide drivers with ample preparation time, research indicates that the lack of time pressure can paradoxically lead to decreased driver situation awareness and delayed takeover responses, thereby introducing safety risks. This study aims to address the core issue of insufficient driver situation awareness during scheduled takeovers. Through a literature review, the thesis establishes the theoretical link between attention management and situation awareness construction, identifying peripheral interaction as an effective paradigm for progressive attention guidance. Subsequently, via user research (including video simulations and interviews), the study deeply analyzes drivers' information needs and cognitive processes in highway exit ramp scenarios, culminating in the development of a situation awareness taxonomy model. Building on insights from theory and user research, the paper proposes a multi-stage, peripheral-focused interaction strategy. This strategy employs an event-criticality-based hierarchical notification system to dynamically regulate the intensity of cognitive intervention and utilizes a dual mechanism of "form encoding" and "content encoding" to balance attentional supply and demand. Finally, the design practice section elaborates on a complete in-vehicle interaction system encompassing system architecture, interface layout, components, and high-fidelity prototypes. To validate the strategy's effectiveness, the research adopted a within-subjects experimental design, using a high-fidelity driving simulator to compare the proposed multi-stage gradual takeover request with a conventional single-stage emergency alert. The experiment collected both objective and subjective data, including takeover performance (max steering wheel velocity), NASA-TLX cognitive load scale, Situation Awareness Rating Scale (SART), and an Interaction Naturalness questionnaire. Results demonstrated that, compared to the single-stage alert, the multi-stage strategy effectively enhanced drivers' situation awareness, improved takeover performance, and provided a superior subjective experience. The findings of this research offer significant theoretical contributions and practical guidance for human-automation collaboration and safe takeover interaction design in autonomous driving systems.

Sebbene i passaggi di consegna programmati forniscano ai conducenti un tempo di preparazione ampio, la ricerca indica che la mancanza di pressione temporale può paradossalmente portare a una ridotta consapevolezza della situazione del conducente e a risposte ritardate all'avvicendamento, introducendo così rischi per la sicurezza. Questo studio mira ad affrontare il problema centrale della consapevolezza situazionale insufficiente del conducente durante i passaggi di consegna programmati. Attraverso una revisione della letteratura, la tesi stabilisce il nesso teorico tra la gestione dell'attenzione e la costruzione della consapevolezza situazionale, identificando l'interazione periferica come un paradigma efficace per una guida progressiva dell'attenzione. Successivamente, attraverso una ricerca sugli utenti (che include simulazioni video e interviste), lo studio analizza approfonditamente le esigenze informative dei conducenti e i processi cognitivi negli scenari di uscita autostradale, culminando nello sviluppo di un modello di tassonomia della consapevolezza situazionale. Sulla base delle intuizioni derivate dalla teoria e dalla ricerca utente, l'articolo propone una strategia di interazione multi-fase, incentrata sull'interazione periferica. Questa strategia impiega un sistema di notifica gerarchico basato sulla criticità dell'evento per regolare dinamicamente l'intensità dell'intervento cognitivo e utilizza un duplice meccanismo di "codifica della forma" e "codifica del contenuto" per bilanciare l'offerta e la domanda di attenzione. Infine, la sezione sulla progettazione pratica elabora un sistema di interazione completo a bordo veicolo, che comprende l'architettura di sistema, il layout dell'interfaccia, i componenti e prototipi ad alta fedeltà. Per convalidare l'efficacia della strategia, la ricerca ha adottato un disegno sperimentale within-subjects, utilizzando un simulatore di guida ad alta fedeltà per confrontare la richiesta di avvicendamento graduale multi-fase proposta con un allarme di emergenza convenzionale a fase singola. L'esperimento ha raccolto dati sia oggettivi che soggettivi, inclusi le prestazioni durante il passaggio di controllo (velocità massima del volante), la scala del carico cognitivo NASA-TLX, la Situation Awareness Rating Scale (SART) e un questionario sulla percezione di naturalezza dell'interazione. I risultati hanno dimostrato che, rispetto all'allarme a fase singola, la strategia multi-fase ha efficacemente migliorato la consapevolezza situazionale dei conducenti, ha ottimizzato le prestazioni durante il passaggio di controllo e ha fornito un'esperienza soggettiva superiore. I risultati di questa ricerca offrono significativi contributi teorici e una guida pratica per la collaborazione uomo-automazione e la progettazione di interazioni sicure per il passaggio di controllo nei sistemi di guida autonoma.