Driving simulators are powerful research tools. Countless simulator studies have contributed to traffic safety over the last decades. Constant improvements in simulator technology call for a measureable scale to assess driving simulators with regard to their utility in human factors research. A promising psychological construct to do so is presence. It is commonly defined as the feeling of being located in a remote or virtual environment that seems to be real. Another aspect of presence describes the ability to act there successfully. The main aim of this thesis is to develop a presence model dedicated to the application in driving simulators. Established models have been combined and extended in order to gain a comprehensive model of presence that allows understanding its emergence and deriving recommendations on how to design or improve driving simulators. The five studies presented in this thesis investigate specific postulated model components and their interactions. All studies deal with motorcycling or a motorcycle riding simulator as exemplary field of application. The first study used a speed estimation task to investigate the contribution of different sensory cues to presence. While visualization plays a particularly important role, further improvements could be achieved by adding more consistent sensory stimuli to the virtual environment. Auditory, proprioceptive and vestibular cues have been subject to investigation. In the second study, the speed production method was applied. It confirmed the positive contribution of action to presence as predicted by psychocybernetic models. The third study dealt with the effect of training on presence. Hence, no positive effect was observed. The fourth study aimed at replicating previous findings on sensory fidelity and diversity in a more complex riding situation than only longitudinal vehicle control. The riders had to cross an unexpectedly appearing deep pit with the virtual motorcycle. The contribution of more consistent sensory stimulation on presence was successfully shown in this scenario, too. The final study was a real riding experiment that delivered reference values for the speed estimation capabilities of motorcycle riders. Besides higher variations in the simulator data, the general speed estimation performance was on a comparable level. Different measures, such as subjective ratings, behavioral responses, performance, and physiological reactions, have been applied as presence indicators. These studies’ findings deliver evidence for the meaningful application of the proposed presence model in driving simulator settings. The results suggest that presence can be interpreted as a quality measure for perception in virtual environments. In line with psychocybernetic models, taking action, which is seen as controlling perception, enhances this quality even further. Describing the psychological construct of presence in a theoretical framework that takes the diversity of perception and action in driving simulator settings into account closes a gap in traffic psychological research. / Fahrsimulatoren sind leistungsfähige Forschungsinstrumente. Seit einigen Jahrzehnten konnte mit unzähligen Simulatorstudien zur Verkehrssicherheit beigetragen werden. Stetige Weiterentwicklungen der Simulatortechnologie machen einen Maßstab erforderlich, der es erlaubt, Fahrsimulatoren hinsichtlich ihrer Nützlichkeit für verkehrspsychologische Fragestellungen zu bewerten. Ein vielversprechendes in der Psychologie verwendetes Konstrukt ist Präsenz. Für gewöhnlich wird Präsenz als das Gefühl definiert, sich in einer entfernten bzw. virtuellen Umwelt zu befinden, die als real wahrgenommen wird. Ein weiterer Aspekt von Präsenz beschreibt die Fähigkeit in dieser Welt erfolgreich zu handeln. Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, ein Präsenzmodell für die Anwendung im Fahrsimulatorbereich zu entwickeln. Dafür werden bereits etablierte Präsenzmodelle aufgegriffen, kombiniert und um bestimmte Komponenten erweitert. Dies zielt darauf ab ein umfassendes Präsenzmodell zu etablieren, welches einerseits einen Erklärungsansatz zur Entstehung von Präsenz liefert und andererseits erlaubt, Gestaltungsempfehlungen für Fahrsimulatoren abzuleiten. Die fünf Experimente dieser Arbeit untersuchen spezifische Modellkomponenten und deren Zusammenspiel. Alle Studien befassen sich mit dem Motorradfahren bzw. einem Motorradfahrsimulator als exemplarisches Anwendungsfeld. Die erste Studie verwendete ein Schätzverfahren für Geschwindigkeiten, um den Beitrag verschiedener Sinnesreize zu Präsenz zu untersuchen. Während der Visualisierung eine besondere Rolle zukommt, konnte die Präsenz durch die Hinzunahme weiterer sensorischer Stimuli in der virtuellen Welt noch gesteigert werden. Dabei wurden auditive, propriozeptive und vestibuläre Reize betrachtet. In der zweiten Studie wurde die Geschwindigkeitswahrnehmung mit Hilfe des Herstellungsverfahrens untersucht. Wie durch psychokybernetische Modelle vorhergesagt, hat sich die positive Auswirkung aktiven Handelns in der virtuellen Welt auf Präsenz bestätigt. Die dritte Studie befasste sich mit den Auswirkungen von Training auf Präsenz. Hier konnte jedoch kein positiver Zusammenhang festgestellt werden. Die vierte Studie zielte darauf ab, im Vorfeld gewonnene Erkenntnisse zur Vielfalt sensorischer Reize zu replizieren. Anstelle reiner Fahrzeuglängsregulation galt es, eine komplexere Fahrsituation zu bewältigen. Die Probanden mussten dabei mit ihrem virtuellen Motorrad einen unerwartet auftretenden tiefen Graben durchqueren. Der Beitrag vielfältiger sensorischer Stimulation auf Präsenz konnte auch in diesem Szenario erfolgreich gezeigt werden. Bei der letzten Studie handelte es sich um eine Realfahruntersuchung, die Referenzwerte zur Einordnung der Geschwindigkeitswahrnehmung im Motorradfahrsimulator lieferte. Außer höheren Schwankungen der Schätzwerte im Fahrsimulator bewegte sich die Güte der Schätzungen im Mittel auf einem vergleichbaren Niveau. Zur Messung von Präsenz wurden Befragungsdaten, Verhaltensmaße, Leistung und physiologische Reaktionen als Indikatoren herangezogen. Die Ergebnisse der Studien belegen die sinnvolle Anwendbarkeit des vorgeschlagenen Präsenzmodells in der Fahrsimulation. Darüber hinaus zeigt sich, dass Präsenz als ein Gütemaß für Wahrnehmung in virtuellen Welten interpretiert werden kann. Psychokybernetischen Modellen folgend kann diese Qualität durch Handeln, welches als Kontrolle der Wahrnehmung gesehen wird, noch weiter gesteigert werden. Durch die Integration des psychologischen Präsenzkonstrukts in ein Rahmenmodell, welches der Vielfalt von Wahrnehmung und Handlung in Fahrsimulatoren Rechnung trägt, konnte eine Lücke in der verkehrspsychologischen Forschung geschlossen werden.

In Deutschland verunfallten im Jahr 2018 insgesamt 29.213 Kinder. 21,5% der verunglückten Kinder nahmen als Fußgänger am Straßenverkehr teil. Im Straßenverkehr sind Kinder in besonderem Maße gefährdet, da die für eine sichere Verkehrsteilnahme notwendigen kognitiven und motorischen Fähigkeiten noch in der Entwicklung sind. Ziel des Projekts ist ein vertieftes Verständnis, über welche verkehrsrelevanten kognitiven Kompetenzen heute Kinder im Alter von 5 bis 14 Jahren in welchem Umfang und in welcher Qualität verfügen. Besondere Berücksichtigung findet dabei die Analyse von Zusammenhängen zwischen dem Entscheidungsverhalten der Kinder zur Straßenüberquerung (Feld- und Laborexperiment), ihrem Blickverhalten, ihrer Aufmerksamkeitsleistung und ihrem verkehrsbezogenen Gefahrenbewusstsein. Die Projektergebnisse sollen dazu genutzt werden, wirksame Maßnahmen zum Schutz von Kindern als Fußgänger und zur Förderung ihrer verkehrsrelevanten kognitiven Fähigkeiten abzuleiten. An den Untersuchungen nahmen insgesamt 183 Kinder im Alter zwischen 5 und 14 Jahren teil. Die erste experimentelle Untersuchung (U1) wurde als Feldstudie durchgeführt. Ziel war es, das Entscheidungsverhalten von Kindern zur Straßenüberquerung in einer realen Situation (2-spurige Straße) zu überprüfen. Insgesamt wurden 6 Einzelversuche pro Kind realisiert, wobei sich jeweils ein Fahrzeug (PKW) von links oder rechts mit einer konstanten Geschwindigkeit von 50km/h näherte. In Abhängigkeit von der Entfernung des Pkw (groß: Querung sicher möglich, mittel: Querung nur mit Risiko möglich, klein: sichere Querung nicht möglich) ertönte ein Signal, woraufhin das Kind über die Möglichkeit zur Querung entscheiden sollte (Schritt vor = Querung ja, Schritt zurück = Querung nein). Die zweite experimentelle Untersuchung (U2) wurde als Laborexperiment durchgeführt. Mittels computeranimierter Straßenszenen wurde das Entscheidungsverhalten von Kindern zur Straßenüberquerung überprüft. Insgesamt wurden 24 Einzelversuche pro Kind realisiert. Variiert wurden folgende Bedingungen: die Fahrzeugrichtung (links, rechts - wie in U1), die Entfernung des Fahrzeugs (groß, mittel, klein – wie in U1), die Fahrzeuggeschwindigkeit (30 km/h, 50 km/h, 60 km/h, Beschleunigung von 20 auf 50 km/h) sowie der Fahrzeugtyp (PKW vs. Lkw). In Abhängigkeit von der Entfernung des Fahrzeugs ertönte ein Signalton und das Kind entschied, ob die Straße noch gefahrlos überquert werden kann oder nicht. Die Entscheidung erfolgte per Tastendruck. Überprüft wurde, inwieweit die Ergebnisse im Feldexperiment (U1) replizierbar und auf erweiterte Bedingungen im Laborexperiment (U2) übertragbar sind. In beiden experimentellen Untersuchungen wurden die Blickbewegungen (Fixationen der entscheidungsrelevanten Bereiche) der teilnehmenden Kinder aufgezeichnet. Im Rahmen der dritten Untersuchung (U3) wurden verschiedenen Komponenten der Aufmerksamkeitsleistung mittels standardisierter computerbasierter psychologischer Testverfahren (TAP, KiTAP) erfasst. Die Prüfung des verkehrsbezogenen Gefahrenbewusstseins der Kinder wurde über die Beurteilung verschiedener Verkehrsszenen mit unterschiedlichem Gefahrenpotenzial realisiert. Sowohl im Feldexperiment (U1) als auch im Laborexperiment (U2) treffen selbst ältere Kinder (13 bis 14 Jahre) noch Fehl- und Risiko-Entscheidungen (ca. 1/3 der 13- bis 14-Jährigen). Als Fehlentscheidung gilt die Querungsentscheidung „ja“ bei kleinem Fahrzeugabstand (sichere Querung nicht möglich), bei der es in einer realen Situation unweigerlich zu einer Kollision käme. Als Risikoentscheidung gilt die Querungsentscheidung „ja“ bei mittlerem Fahrzeugabstand (Querung nur mit Risiko möglich). In einer realen Situation würde eine Kollision nur äußerst knapp verhindert werden. Mit zunehmendem Alter verbessert sich zunächst das Querungsverhalten, wenn sich das Fahrzeug von links nähert. / In 2018 29.213 children were involved in car accidents. 21.5% of these children were pedestrians. In road traffic children represent a particularly vulnerable group as their cognitive and motor skills are not developed enough for a safe participation in road traffic. The goal of the project is to gain a deepened understanding of the quality and extent of traffic relevant cognitive capacities amongst children aged 5 - 14. The analysis of the results is focussed on the relationship between the following factors: decision making process in road crossing (fieldand laboratory experiments), gaze behaviour, attention span and awareness of dangerous situations in the context of traffic. The results are meant to be used for the development of measures to protect children as pedestrians and to promote traffic relevant cognitive capacities. A total of 183 children aged between 5 and 14 years participated in the studies. The first experimental study was conducted as a field study. The goal was to observe the decisionmaking patterns of children on when to cross the road in a real-life situation (two lane road). In total 6 trials were conducted per child. In each trial a vehicle (passenger car) approached from either the right or the left at a constant speed of 50km/h. At different distances between car and child (long distance = crossing possible, medium distance = crossing only possible with risk, short distance = crossing not possible) a signal was sounded. Based upon these signals the child decided whether to cross or to not cross (step forward = crossing, step back = not crossing). The second experiment was conducted as a laboratory experiment where the street crossing behaviour of children was tested via computer animated traffic situations with varying conditions. In total 24 trials were conducted per child. The following conditions were modelled: the vehicle’s direction (left, right – as in experiment 1), the distance of the vehicle ( large, medium, small – as in experiment 1), the vehicle’s speed (30km/h, 50km/h, 60km/h, acceleration from 20 to 50 km/h), the type of vehicle (passenger car vs. HGV). At different distances between car and child a signal was sounded, based upon which the child decided whether to cross. The decision was made by pushing a button. The goal of this experiment was to ascertain whether results from experiment 1 could be replicated and extrapolated to the expanded set of factors in experiment 2. The gaze behaviour of the children (vision fixation on decision relevant areas) was registered in both experimental studies. In the third study three different components of attention span capacity were registered with the help of standardised computer based psychological tests (TAP, KiTAP). To investigate the traffic related perception of danger amongst the children, they were asked to judge different traffic scenes with varying potential of danger. In the field experiment as well as in the laboratory experiment even the older children (13 – 14 years old) often made ‚wrong‘ and ‚risk‘ decisions (ca. 1/3 of 13 - 14 year-olds).

Unfälle mit beteiligten Kindern sind besonders tragisch. Laut Statistik verunfallte im Jahr 2019 alle 19 Minuten ein Kind im Straßenverkehr [1]. Von den insgesamt 28.005 verunglückten Kindern unter 15 Jahren war rund ein Fünftel zu Fuß unterwegs [1]. Die Mehrheit von ihnen überquerte gerade eine Fahrbahn [1]. Von diesen wiederum achteten 55 Prozent nicht auf die anderen Fahrzeuge [1]. Kinder beginnen ihre Verkehrsteilnahme meist zu Fuß und sind in allen Altersgruppen am häufigsten zu Fuß unterwegs. Das Überqueren von Straßen gehört daher zu ihren ersten und häufigsten Herausforderungen im Straßenverkehr. Allerdings sind die dafür notwendigen kognitiven und motorischen Fähigkeiten bei ihnen noch nicht vollständig entwickelt [2]. Eine Straßenquerung besteht aus mehreren Teilschritten, wie dem Annähern an die Fahrbahn, der Einschätzung der herannahenden Fahrzeuge und schließlich der Entscheidung zum Überqueren [3]. Die Kinder benötigen dazu entsprechende Fähigkeiten, um u.a. die Fahrzeuge wahrzunehmen und ihre Geschwindigkeit einzuschätzen [3]. Nur wenn sie die Fahrgeschwindigkeiten richtig einschätzen und einen angemessenen Moment wählen, können sie die Straße sicher überqueren.

In Deutschland ist die Zahl der Elektrofahrräder (Pedelecs) in den letzten Jahren kontinuierlich gestiegen. Sie erfreuen sich vor allem wegen der durch Motorunterstützung schnelleren und komfortableren Fortbewegung im Vergleich zum Fahrrad großer Beliebtheit. Allerdings bergen vor allem die höheren Geschwindigkeiten im Vergleich zu konventionellen Fahrrädern Gefahren. So steht zu befürchten, dass andere Verkehrsteilnehmer nicht mit der relativ hohen Geschwindigkeit eines sich annähernden Elektrofahrrades rechnen, und dessen Eintreffen an einem bestimmten Punkt (z.B. eine Kreuzung) falsch bewerten. Als Folge einer solche Fehlbewertung ist gegebenenfalls auch mit riskanterem Verhalten zu rechnen, welches in Kreuzungssituationen im Wesentlichen durch ein sehr knappes Kreuzen der Spur des Elektrofahrradfahrers (z.B. beim Linksabbiegen) charakterisiert ist. Ziel der im Rahmen des Projektes durchgeführten Untersuchungen war es daher, die von anderen Fahrzeugführern vorgenommene Einschätzung der Zeit bis zum Eintreffen an einem vordefinierten Punkt (Time-to-Arrival, TTA) sowie die Lückenwahl im Zusammenhang mit sich annähernden Zweirädern, im Speziellen konventionellen und Elektrofahrrädern, genauer zu betrachten. In einer Versuchsreihe bestehend aus vier Experimenten wurden verschiedene Einflussvariablen auf die Lückenwahl bzw. TTA-Schätzung untersucht. Ziel von Untersuchungen zur Lückenwahl ist es herauszufinden, welche Lücken Verkehrsteilnehmer vor oder zwischen anderen Fahrzeugen zum Einbiegen, Queren oder Einordnen wählen. Untersuchungen zur TTA-Schätzung hingegen befassen sich mit der Frage, für wie groß ein Verkehrsteilnehmer den zeitlichen Abstand zu einem anderen Verkehrsteilnehmer bewertet. Als zentraler Faktor wurde die Geschwindigkeit der sich annähernden Zweiräder variiert. Ebenfalls wurde der Einfluss des Zweiradtyps (Fahrrad o. Pedelec 45), des Blickwinkels sowie des Streckenprofils in einem realistischen Umfeld auf der Teststrecke geprüft (Experiment 1). Anschließend wurden drei weitere Experimente (Experimente 2-4) im Labor mit Hilfe von Videomaterial durchgeführt. Hierbei wurden der Einfluss des Alters des Fahrradfahrers, der Trittfrequenz sowie der Vergleich der beiden Fahrradtypen mit einem Moped auf die Lückenwahl und TTA-Schätzung getestet (Experimente 2-3). In einem vierten Versuch (Experiment 4) standen die Auswirkungen von verschiedenen Maßnahmen zur Verbesserung der Sichtbarkeit von Radfahrern auf die TTA-Schätzung im Mittelpunkt. Bei allen vier Experimenten wurde zudem auch das Alter der Beobachter als Einflussfaktor überprüft (30 bis 45 Jahre, 65 Jahre und älter). Auf der Teststrecke (Experiment 1) wurde die Lückenwahl der Teilnehmer erfasst, die dazu in einem echten Pkw saßen. Sie sahen einen Fahrradfahrer auf sich zukommen und sollten ein im Pkw angebrachtes Fußpedal in dem Moment betätigen, in dem ihrer Meinung nach die kleinste von ihnen akzeptierte Lücke zum Abbiegen vor dem Fahrrad erreicht war. In zwei der Laboruntersuchungen (Experimente 2-3) hatten die Teilnehmer die gleiche Aufgabe. Allerdings erfolgte hier die Bewertung anhand von Videos von sich nähernden Zweirädern. Zusätzlich zu der Aufgabe, die kleinste noch sichere Lücke anzugeben, sollten sie im Labor auch die Zeit bis zum Eintreffen an einem vordefinierten Punkt (TTA) für die sich annähernden Zweiräder schätzen (Experimente 2-4). Auch dazu sahen die Teilnehmer kurze Videosequenzen, in denen sich ein Zweiradfahrer näherte. Bevor der Zweiradfahrer jedoch die Höhe der Teilnehmer erreichte, wurde das Video ausgeblendet. Aufgabe der Probanden war es, eine Taste in dem Moment zu drücken, in dem sie glaubten, dass der Zweiradfahrer die vordefinierte Position erreicht hätte. In allen Experimenten konnte gezeigt werden, dass es bei höheren Geschwindigkeiten des sich nähernden Zweirads im Vergleich zu geringeren Geschwindigkeiten zu größeren TTA-Schätzungen und kleineren zum Abbiegen gewählten Zeitlücken kommt. / In Germany, electric bicycles (pedelecs) have become highly popular over the past few years. Reasons for that are their potential to reach higher speeds and the reduction of cycling effort. While these are desirable effects, safety concerns have been raised. Pedelecs are, with regard to their design, hardly distinguishable from conventional bicycles. It has been argued that this could result in other road users misjudging the approach of an oncoming pedelec (e.g. at intersections) and subsequent unsafe behaviour, e.g. choosing rather small time gaps for crossing in front of pedelec riders. Therefore, the goal of this study was to conduct a series of experiments investigating road users’ time-to-arrival estimations (TTA; the estimation of time gaps between the road user and other vehicles) and their gap acceptance behaviour (the gap a road user selects in front of or between other vehicles for turning or crossing) in relation to approaching two-wheelers, especially pedelecs and conventional bicycles. Three experiments were conducted to investigate the influence of two-wheelers’ approach speed, bicycle/vehicle type (conventional bicycle, S-pedelec, scooter), road gradient, observer perspective, observer age, cyclist age, and pedalling frequency on TTA estimation and/or gap acceptance. A fourth experiment investigated the impact of measures to enhance the visibility of cyclists on TTA estimation. An intersection scenario was implemented either in a realistic setting on a test track (Experiment 1) or in a laboratory using video material (Experiments 2 to 4). On the test track, participants were seated in a real car. They observed an approaching cyclist and were instructed to depress a foot pedal to indicate the smallest acceptable gap to turn in front of the bicycle rider (gap acceptance). In the laboratory studies, participants were asked to indicate the smallest acceptable gap, too, but provided their judgements on the basis of videos of approaching cyclists. For TTA estimations, participants watched short videos of approaching two-wheelers. Before the rider reached the position of the participant, the videos were masked, and the participants were required to press a button to indicate the moment they believed the rider would have reached a predefined position (TTA estimation, Experiment 2 to 4 only). In all four experiments, a higher approach speed of the two wheeler lead to higher TTA estimates and smaller accepted gaps in comparison to a lower approach speed. That means participants’ turning decisions tended to be riskier for higher speeds. In addition, there were differences in gap acceptance and TTA estimation between the two bicycle types. Participants selected smaller gaps for the S-pedelec compared to the bicycle. Likewise, TTA estimations for the S-pedelec were higher, i.e. participants judged the time remaining until the S-pedelec reached the observers’ position as longer compared to the bicycle, resulting in riskier turning behaviour. For the scooter, we found larger accepted gaps and smaller TTA estimations in comparison to the two bicycle types. This suggests a somewhat safer turning/crossing behaviour around scooters compared to bicycles. Furthermore, cyclists’ age influenced TTA estimations, with an older cyclist being judged as arriving earlier at the observers’ position than a younger cyclist. In addition, the participants chose smaller gaps and provided higher TTA estimations for a lower pedalling frequency in comparison to the higher one. The age of the participants affected only TTA estimation, not gap acceptance behaviour.