Psychologisch-technische Anforderungen an einen Teleoperatorarbeitsplatz

Abstract

With teleoperation technology, a vehicle can be supported and controlled remotely, i.e. from outside the vehicle. In this way, for example, autonomous vehicles can be assisted in situations in which the autonomous function reaches its limits. Other exemplary areas of application for this type of vehicle control are teleoperated cabs or car-sharing vehicles. During teleoperation, information on the vehicle's condition and environment, such as sensor data and video images, is transmitted from the vehicle to a control center. There, the data is made available to a human remote operator who generates support or control commands. These are then sent back to the vehicle for execution. A distinction is made between remote driving and remote assistance. In the case of remote driving, the remote operator carries out the longitudinal and lateral control directly by controlling the driving speed and steering from a control station using the information transmitted from the vehicle. With remote assistance, the remote operator supports the automated driving system by, for example, specifying waypoints, selecting trajectories or modifying sensor information, allowing the vehicle to continue driving autonomously. The tasks of a remote operator differ from manual control by a person in the vehicle. Accordingly, the requirements the remote operator has to meet are not the same as those applying for a driver located in the vehicle. The greatest challenges in teleoperation lie in the latencies that occur during data transmission and the need for the remote operator to have sufficient situation awareness. It must also be ensured that the operator's workload does not exceed an acceptable level and that the resulting driving performance is comparable to that of a manual vehicle control by a driver in the vehicle. This research report focuses on what a suitable workstation for remote drivers and remote assistants should look like in order to meet the aforementioned challenges. The aim is firstly to derive well-founded minimum requirements for the design of teleoperation workstations used for remote driving and remote assistance, and secondly to specify requirements for experimental workstations that could be used as research tools to answer open research questions in the field. In order to achieve this goal, a comprehensive literature analysis of the current state of research on human-machine interaction in the teleoperation of vehicles is carried out. Subsequently, existing teleoperation workstations are described and categories of workstation subsystems are derived that are relevant for the specification of requirements. The results show that it is not or only partially possible to derive empirically based minimum requirements for the design of teleoperation workstations due to the current state of research. In order to derive minimum requirements nonetheless, in addition to empirical evidence, requirements are also derived on the basis of best practices (state of the art) and the current legal situation (e.g. for type approval of vehicles, workplace design). The resulting minimum requirements for the design of teleoperator workstations are defined with regard to the following areas: visualization (e.g. 180° horizontal front field of view, displaying the driving trajectory of the ego-vehicle), spatial design, acoustic representation of the driving situation, workstation incl. controls, assistance systems (e.g. triggering of minimal risk maneuvers, lane keeping assistance), graphical user interface (e.g. information on driving and vehicle status), monitoring of teleoperation (e.g. data recording, attention detection, incident management), communication connection (e.g. latency < 300 ms, communication with other persons) and acceptance of workstation (e.g. comfort, driving safety). Based on the specified requirements for an experimental workstation, a concrete technical concept for a prototype workstation is developed. This concept was realized and enables the teleoperation of a virtual vehicle using driving simulation. With the help of this flexible and expandable demonstrator, a number of research questions can be answered that are central to future safe, efficient and accepted teleoperation. Based on the results of future research on human-machine interaction in teleoperation, the requirements presented in this report should be iteratively adapted. The same applies to technical developments that significantly change remote vehicle guidance. Mit der Technologie der Teleoperation kann ein Fahrzeug aus der Ferne, d.h. von außerhalb des Fahrzeugs, unterstützt und gesteuert werden. Auf diese Weise kann z.B. autonomen Fahrzeugen in Situationen assistiert werden, in denen sie nicht selbständig agieren können. Daneben bilden telegefahrene Taxis oder Car-Sharing Fahrzeuge weitere beispielhafte Anwendungsgebiete dieser Art der Fahrzeugsteuerung. Bei der Teleoperation werden Informationen zum Fahrzeugzustand und -umfeld wie z.B. Sensordaten und Videobilder, vom Fahrzeug an ein Kontrollzentrum übertragen. Dort werden die Daten einer menschlichen teleoperierenden Person zur Verfügung gestellt, die Unterstützungs- bzw. Steuerbefehle erzeugt. Diese werden dann zur Ausführung an das Fahrzeug zurückgesendet. Bei der Teleoperation von Fahrzeugen wird zwischen Telefahren und Teleassistenz unterschieden. Beim Telefahren führt die teleoperierende Person die Längs- und Querregelung direkt aus, indem sie von einem Leitstand aus anhand der aus dem Fahrzeug übertragenen Informationen die Fahrgeschwindigkeit regelt und das Lenken übernimmt. Bei der Teleassistenz unterstützt die teleoperierende Person das automatisierte Fahrsystem, indem z.B. Wegpunkte vorgegeben, Trajektorien ausgewählt oder Sensorinformationen interpretiert werden und das Fahrzeug anschließend selbstständig weiterfährt. Die Aufgaben einer teleoperierenden Person unterscheiden sich von der manuellen Steuerung durch eine im Fahrzeug befindliche Person. Entsprechend sind auch die Anforderungen an die teleoperierende Person nicht die gleichen wie an die fahrzeugführende Person, die sich direkt im Fahrzeug befindet. Die größten Herausforderungen bei der Teleoperation von Fahrzeugen liegen in den im Rahmen der Datenübertragung entstehenden Latenzen und der Notwendigkeit eines ausreichenden Situationsbewusstseins bei der teleoperierenden Person. Auch muss sichergestellt werden, dass der Workload während der teleoperierten Steuerung eines Fahrzeugs einen vertretbaren Rahmen nicht überschreitet und die resultierende Fahrperformanz mit der der manuellen Fahrzeugführung vergleichbar ist. Wie ein geeigneter Leitstand bzw. Arbeitsplatz für das Telefahren und die Teleassistenz aussehen sollte, um den genannten Herausforderungen zu begegnen, steht im Mittelpunkt dieses Forschungsberichts. Ziel ist zum einen die Ableitung begründeter Mindestanforderungen an die Gestaltung von Teleoperatorarbeitsplätzen, die für das Telefahren und die Teleassistenz eingesetzt werden, und zum anderen die Spezifikation von Anforderungen an experimentelle Leitstände, die als Forschungswerkzeug zur Beantwortung offener Forschungsfragen eingesetzt werden. Um dieses Ziel zu erreichen, wird eine umfassende Literaturanalyse zum Stand der Forschung bzgl. der Mensch-Maschine-Interaktion bei der Teleoperation von Fahrzeugen durchgeführt. Anschließend werden bestehende Teleoperatorarbeitsplätze bzw. Leitstände vorgestellt und Kategorien von Teilsystemen abgeleitet, die für die Spezifikation der Anforderungen relevant sind. Die Ergebnisse zeigen, dass eine Ableitung von empirisch begründeten Mindestanforderungen an die Gestaltung von Teleoperatorarbeitsplätzen aufgrund des Forschungsstands nicht bzw. nur teilweise möglich ist. Um dennoch Min- destanforderungen abzuleiten, werden neben der empirischen Evidenz auch Anforderungen auf Basis von bewährten Vorgehensweisen in der Praxis (Stand der Technik) und der aktuellen Rechtslage (z.B. zur Typgenehmigung von Fahrzeugen, zur Arbeitsplatzgestaltung) abgeleitet. Die resultierenden Mindestanforderungen an die Gestaltung von Teleoperatorarbeitsplätzen werden im Hinblick auf die Bereiche Sichtdarstellung (z.B. 180° horizontaler Frontsichtbereich, Darstellung der Egofahrtrajektorie), räumliche Gestaltung, akustische Darstellung der Fahrsituation, Leitstand inkl. Bedienelemente, Unterstützungssysteme (z.B. Auslösung Minimal Risk Maneuver, Spurhalteassistenz), grafische Benutzeroberfläche (z.B. Informationen zu Fahrt und Fahrzeugzustand), Überwachung der Teleoperation (z.B. Datenaufzeichnung, Aufmerksamkeitserkennung, Incident Management), Kommunikationsverbindung (z.B. Latenz < 300 ms, Kommunikationsmöglichkeit mit anderen Personen) und Abnahme des Teleoperatorarbeitsplatzes (z.B. Verträglichkeit, Fahrsicherheit) dargestellt. Basierend auf den spezifizierten Anforderungen an einen experimentellen Leitstand wird ein konkretes technisches Konzept für einen prototypischen Leitstand ausgearbeitet. Dieses wird anschließend in einen Leitstand umgesetzt, der die teleoperierte Steuerung eines virtuellen Fahrzeugs in der Fahrsimulation ermöglicht. Mit Hilfe dieses flexiblen und erweiterungsfähigen Demonstrators können eine Reihe von Forschungsfragen beantwortet werden, die für eine zukünftige sichere, effiziente und akzeptierte teleoperierte Fahrzeugführung zentral sind. Basierend auf den Ergebnissen zukünftiger Forschungsarbeiten zur Mensch-Maschine-Interaktion am Teleoperatorarbeitsplatz sind die in diesem Bericht dargestellten Anforderungen iterativ anzupassen. Ähnliches gilt bei technischen Entwicklungen, die die teleoperierte Fahrzeugführung signifikant verändern. Datei-Upload durch TIB