Kognitiv-ergonomische Sprachanweisungen als elektronische Navigationsunterstützung für Fußgängerinnen und Fußgänger

Karl Rehrl

Institut für Geoinformation und Kartographie, Forschungsgruppe Kartographie, Technische Universität Wien, 2011
Begutachter: Univ. Prof. Mag. Dr. Georg Gartner

Sich von einem Ort zu einem anderen zu bewegen zählt zu einem der fundamentalsten Probleme von Lebewesen. Als Fußgängerinnen und Fußgänger sind auch Menschen immer wieder mit der Navigation in ihnen unbekannten Umgebungen konfrontiert. Elektronische Navigationshilfen ermöglichen, fehlendes räumliches Wissen so zu ergänzen, dass die richtigen Entscheidungen getroffen werden können. Eine wiederkehrende Frage ist, wie Navigationsinformationen von solchen Systemen repräsentiert und an navigierende Personen kommuniziert werden sollen.
In dieser Dissertation wird das Medium Sprache in der elektronischen Navigationsunterstützung für Fußgängerinnen und Fußgänger in urbanen Umgehungen untersucht. Während die meisten bisherigen Arbeiten mehrere Ιnfοrmatiοnskanäle kombinieren, geht diese Arbeit ausschließlich der Frage nach, wie natürlich sprachliche Anweisungen zu gestalten sind, sodass eine effektive Navigationsunterstützung für Fußgängerinnen und Fußgänger entlang von Routen in unbekannten Umgebungen gelingen kann. Die Arbeit gliedert sich in vier aufeinander aufbauende Teile: (1) Empirische Datenerhebung, (2) Modellbildung, (3) Systementwurf und Informationsgenerierung und (4) empirische Evaluierung.
Der erste Teil der Arbeit beschreibt eine qualitative empirische Beobachtung, die zur Generierung von verbalen Beschreibungen von Entscheidungssituationen durchgeführt wurde. Die empirische Beobachtung wurde mit 20 Personen entlang von vier Testrouten in Wien und Salzburg durchgeführt. Aus den deutschsprachigen verbalen Beschreibungen wurden mit Hilfe der Methodik einer semantischen Inhaltsanalyse prototypische Bewegungsmuster extrahiert. Die prototypischen Bewegungsmuster setzen sich aus Bewegungsverben, räumlichen Relationen und räumlichen Referenzobjekten zusammen und beschreiben auf einer qualitativen Ebene, wie sich Fußgängerinnen und Fußgänger entlang von Routen bewegen können. Die Auswahl der prototypischen Muster erfolgte anhand der Häufigkeit ihrer Nennungen. Für die extrahierten Bewegungsverben, räumlichen Relationen und räumliche Referenzobjekte wurden Taxonomien zur semantischen Klassifikation erstellt. Räumliche Referenzobjekte werden nicht nur ontologisch, sondern auch Rollen-basiert hinsichtlich ihrer funktionalen Rolle in Bezug auf die Fußgängernavigation klassifiziert.
Der zweite Tell der Dissertation beschreibt die Formalisierung der prototypischen Bewegungsmuster von Fußgängerinnen und Fußgängern mit Hilfe eines qualitativ räumlichen Aktionsmodells (Qualitative Spatial Action Model - QSAM). Das Modell bildet ein semantisches Referenzsystem für die formale Beschreibung von qualitativen Navigationsaktionen. Ergänzend wird das Modell der Aktivitätsgraρhen als Erweiterung von Routengraphen für die Aktivitäten-basierte Modellierung von Navigationsumgebungen vorgeschlagen. Die Modellierung der Aktivitäten erfolgt durch die prototypischen Aktionsmuster des QSAM.
Der dritte Teil der Dissertation beschreibt ein Konzept für ein sprachbasiertes Fυβgängernavίgatiοnssystem, das Aktivitätsgraphen und prototypische Aktionsmuster verarbeiten kann. Die praktische Anwendbarkeit der beiden Modelle wird anhand zweier Testrouten in Salzburg überprüft. Ein Verfahren zur Übersetzung der prototypischen Aktionsmuster in natürlich sprachliche Anweisungen wird vorgeschlagen. Der Lösungsansatz definiert die formale Beschreibungssprache Qualitative Spatial Action Language (QSAL), mit der Navigationsaktivitäten entlang von Routen auf konzeptioneller Ebene beschrieben werden können. Mit Hilfe eines deterministischen Zustandsautomaten und textuellen Schablonen wird beispielhaft die Übersetzung der abstrakten Navigationsanweisungen in natürlich sprachliche deutsche Anweisungen gezeigt.
Im vierten Teil der Arbeit werden die generierten Navigationsanweisungen im Rahmen einer empirischen Feldstudie evaluiert. Die empirische Feldstudie wurde mit 20 Personen entlang der beiden Testrouten in Salzburg durchgeführt. In der Studie wurden zwei unterschiedliche Anweisungstypen verglichen: Kognitiv-ergonomische Anweisungen ergänzt durch metrische Informationen und kognitiv-ergonomische Anweisungen ergänzt durch qualitative Aktionsbeschreibungen mit räumlichen Referenzen. Sämtliche Aktionsbeschreibungen an Entscheidungspunkten entlang der beiden Testrouten wurden auf Basis der QSAL modelliert. Im Rahmen der Studie konnte gezeigt werden, dass eine sprachbasierte Navigation von Fußgängerinnen und Fußgängern in urbaner Umgebung mit minimaler Fehlerrate und in Standardgehzeit möglich ist. Für eine effektive Navigationsunterstützung sind insbesondere das positionsgenaue Abspielen der Anweisungen sowie kognitiv-ergonomische Richtungskonzepte verantwortlich. Aktionsbeschreibungen mit Referenzen auf räumliche Objekte erhöhen das Sicherheitsgefühl der Personen und können zu einer richtigen Entscheidung in schwierigen Entscheidungssituationen beitragen. Im Vergleich zu den Meterangaben wurden die Anweisungen aus den qualitativen Aktionsbeschreibungen von den Testpersonen in allen untersuchten qualitativen Kriterien wie Attraktivität oder Eindeutigkeit besser bewertet.
Die Dissertation schließt mit Empfehlungen für die Umsetzung von sprachbasierten elektronischen Assistenzsystemen für die Fußgängernavigation und einer kritischen Betrachtung der erzielten Ergebnisse.
Aufgrund der Untersuchung von deutschen Sprachanweisungen wurde die Dissertation in deutscher Sprache verfasst.