Kognitiv-ergonomische Sprachanweisungen als elektronische Navigationsunterstützung für Fußgängerinnen und Fußgänger

Abstract

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.<br />In dieser Dissertation wird das Medium Sprache in der elektronischen Navigationsun-terstützung für Fußgängerinnen und Fußgänger in urbanen Umgebungen untersucht. Während die meisten bisherigen Arbeiten mehrere Informationskanäle 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.<br />Die Arbeit gliedert sich in vier aufeinander aufbauende Teile: (1) Empirische Datenerhebung, (2) Modellbildung, (3) Systementwurf und Informationsgenerierung und (4) empirische Evaluierung.<br />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 Beschreibun-gen 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.<br />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 Fußgän-gernavigation klassifiziert.<br />Der zweite Teil 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 Navigati-onsaktionen.<br />Ergänzend wird das Modell der Aktivitätsgraphen als Erweiterung von Routengraphen für die Aktivitäten-basierte Modellierung von Navigationsumgebungen vorgeschlagen. Die Modellierung der Aktivitäten erfolgt durch die prototypischen Aktionsmuster des QSAM.<br />Der dritte Teil der Dissertation beschreibt ein Konzept für ein sprachbasiertes Fußgängernavigationssystem, das Aktivitätsgraphen und prototypische Aktionsmuster verarbeiten kann. Die praktische Anwendbarkeit der beiden Modelle wird anhand zweier Test-routen in Salzburg überprüft. Ein Verfahren zur Übersetzung der prototypischen Aktionsmuster in natürlich sprachliche Anweisungen wird vorgeschlagen.<br />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.<br />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 Anweisun-gen sowie kognitiv-ergonomische Richtungskonzepte verantwortlich. Aktionsbeschreibungen mit Referenzen auf räumliche Objekte erhöhen das Sicherheitsgefühl der Personen und können zu einer richtigen Entscheidung in schwierigen Entscheidungssituatio-nen 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.<br />Die Dissertation schließt mit Empfehlungen für die Umsetzung von sprachbasierten elektronischen Assistenzsystemen für die Fußgängernavigation und einer kritischen Betrachtung der erzielten Ergebnisse.<br />Aufgrund der Untersuchung von deutschen Sprachanweisungen wurde die Dissertation in deutscher Sprache verfasst.<br />

To move from one place to another is considered as one of the fundamental problems of beings. As pedestrians, humans repeatedly face the challenge to navigate in unknown environments. Electronic navigation aids assist with spatial knowledge so that navigation tasks can be successfully completed. A general question concerns the representation and communication of spatial information by such systems.<br />This thesis investigates how voice as a medium can be used to assist pedestrians in route following in unknown urban environments. While most of the existing work combines different information modes, this work focuses on voice-only navigation support. More specifically, the work proposes formal means for the composition of natural language instructions. The thesis is split into four parts: (1) Empirical case study, (2) model build-ing, (3) system and information design and (4) empirical evaluation.<br />The first part of the thesis describes an empirical study for acquiring verbal descriptions of route choices in spatial decision situations. The study involved 20 persons along four test routes in the cities of Salzburg and Vienna. The verbal descriptions were semantically analyzed with the goal to extract prototypical motion patterns. Motion patterns are composed from motion verbs, spatial relations and spatial references and describe qualitatively, how pedestrians can move along a route. The selection of patterns is based on an analysis of their occurrence frequency. Extracted motion verbs, spatial relations and spatial references are classified according to semantic taxonomies. Beside an ontological classification, spatial references are also classified by a role-based classification scheme, which defines functional roles of reference objects in the context of pedestrian navigation.<br />In the second part of the thesis the prototypical motion patterns are formalized by means of a qualitative spatial action model (QSAM). The model allows the formal description of navigation actions of pedestrians. Additionally, for modeling pedestrian navigation environments, an activity-based graph model as extension of the route graph model is proposed. Activities are modeled with the qualitative spatial actions of the QSAM.<br />The third part of the thesis proposes a concept for a voice-based navigation system which is able to process activity graphs as well as prototypical motion patterns. The model is validated by modeling two test routes in Salzburg. A method for translating prototypical motion patterns to natural language instructions is proposed. The proposed solution is based on a conceptual language called qualitative spatial action language (QSAL), which can be used to model navigation activities for pedestrians on a conceptual level. The translation of QSAL instructions to German natural language instructions is described as finite state machine using textual schemes.<br />The fourth part of the thesis evaluates the generated instructions in the context of an empirical field study. In the field study, 20 persons were asked to navigate two different routes in Salzburg. Two sets of navigation instructions were compared: One set of navigation instructions was generated from the QSAL descriptions modeling the test routes in Salzburg. The other instruction set was based on cognitive-ergonomic turn concepts, but enhanced with metric distances.<br />Results show, that voice-only navigation of pedestrians along pre-defined routes in unknown urban environments at minimal error rate and at standard walking time is feasible with both instruction sets. It was found that an effective pedestrian navigation with voice commands can be achieved with timely triggering of commands and the use of cognitive-ergonomic turn concepts. Qualitative spatial actions with referencing spatial entities mainly account for increased user confidence as well as assisting with additional information in ambiguous decision situations. In comparison to the metric instruction set, test persons rated instructions based on qualitative spatial actions higher in all of the studied criteria such as user experience or unambiguousness.<br />The thesis concludes with recommendations for the design and implementation of voice-only pedestrian navigation systems and adds a critical review of the results achieved.<br />Due to the study of German verbal descriptions the thesis is written in German language.<br />