Exploratory analysis of driving behaviour to support the development of a discomfort indicator using a vehicle driving simulator

Abstract

Driver behaviour contributes significantly to road safety and environmental impacts. Therefore, a better understanding of how drivers react to different stimuli, such as road events and vehicle specifications, is fundamental in trying to minimise these adverse effects. Furthermore, an often-neglected component in the reference literature is the concept of comfort experienced by the driver and how it impacts the driving profile. Considering the global concerns of improving air quality, reducing emissions and increasing road safety, it is important to study and evaluate approaches to improve comfort and the driving/travelling experience. A useful tool in this area is the driving simulator, as it allows you to control the environment and scenarios based on real conditions without having the consequent risks of road and environmental conflicts that a test in a real environment would have. The main objective of this dissertation is to identify parameters related to driving behaviour that can contribute to the development of an indicator of comfort and travel experience. To achieve this goal, this research uses data collected from experiments conducted in a fixed driving simulator, in an urban scenario, involving different singularities. In this study, 30 volunteers underwent six simulations (three using an automatic transmission vehicle and three using a manual transmission vehicle) in an urban environment to obtain a significant sample considering the individual variability of each participant's driving behaviour. Throughout this simulation, several variables were collected on a second-by-second basis, such as speed, acceleration, and distance to the intersection, among others. From these variables, it was also possible to calculate driving volatility, which consists of the acceleration variation over time or jerk, the vehicle's specific power (VSP), and the VSP mode, which, in turn, provides the emission model used in this dissertation. Emission factors obtained from previous studies were used to estimate the instantaneous emissions resulting from the experiments. The simulator variables and the calculated ones were subsequently examined both in a general context and concerning specific road characteristics (e.g., a segment involving a speed bump and crosswalk, an intersection with a stop sign, an intersection with a yield sign, an intersection with a crosswalk, and finally an intersection with a traffic light). Specifically, a microscopic analysis was conducted along the area of influence of these events. As a result of this investigation, patterns were identified, and deviations were detected that allow the characterisation of driving behaviour in the studied events highlighting specific aspects that could be associated with assessing comfort. The overall results of the simulations allow to draw conclusions regarding the transmission modes, indicating a greater tendency for higher speeds and acceleration profiles in vehicles with automatic transmission compared to manual ones. In the study of the events, it was observed that for situations where the driver did not need to fully stop the vehicle had a lesser environmental impact, as seen in the case of yielding. On the other hand, events that may lead the driver to stop, such as traffic lights, pedestrian crossings, and mandatory stop intersections, cause jerk levels to increase, creating a greater sense of discomfort for the driver. In summary, we believe that the results obtained will be relevant to support decision- making regarding individual measures (e.g., transmission change indicators or controllers with sustainability objectives to minimise emissions and enhance comfort and safety) and policies (e.g., urban infrastructure planning strategies) to improve road safety as well as mitigate the environmental impacts intrinsic to driving tasks.

O comportamento de condução representa uma contribuição relevante nos impactos em termos de segurança rodoviária, bem como a nível ambiental. Desta forma, um melhor conhecimento de como os condutores reagem face a diferentes estímulos, como diferentes tipos de eventos rodoviários e especificações do veículo, torna-se de extrema importância para tentar minimizar estes efeitos negativos. Um campo não muito abordado na literatura de referência é o conceito de conforto experienciado pelo condutor e a forma de como este impacta o perfil de condução. Considerando as preocupações globais de melhorar a qualidade do ar, reduzir emissões e aumentar a segurança rodoviária, é importante estudar e avaliar abordagens que permitam melhorar o conforto e a experiência de condução/viagem. Uma ferramenta útil nesta área é o simulador de condução, uma vez que permite controlar o ambiente e cenários baseados em condições reais sem ter os consequentes riscos de conflitos rodoviários e ambientais que um teste num ambiente real teria. O objetivo desta dissertação consiste na identificação de parâmetros relacionados com o comportamento de condução que possam contribuir para o desenvolvimento de um indicador de conforto e experiência de viagem. Para atingir esse objetivo, a investigação recorre a dados recolhidos de experiências conduzidas num simulador de condução fixo, num cenário em ambiente urbano, envolvendo diferentes singularidades. Neste estudo, 30 voluntários foram sujeitos a seis simulações (três, usando um veículo de transmissão automática, e três usando um veículo de transmissão manual) em ambiente urbano, de forma a obter uma amostra significativa e que considera a variabilidade individual do comportamento de condução de cada participante. No decorrer desta simulação, várias variáveis foram recolhidas numa base segundo-a-segundo como velocidade, aceleração, distancia à intersecção, entre outras. Destas variáveis foi possível também calcular a volatilidade da condução (que consiste na variação da aceleração com o tempo – sobreaceleração), a potência específica do veículo (VSP - Vehicle Specific Power), e o modo VSP que por sua vez providenciou o modelo de emissões usado neste trabalho. Foram usados fatores de emissão obtidos de estudos anteriores para estimar as emissões instantâneas decorrentes das experiências. As variáveis do simulador e as calculadas foram posteriormente exploradas num contexto geral e também em termos de singularidades rodoviárias (p.ex., troço envolvendo uma lomba e passadeira, uma intersecção com um sinal de stop e outra com cedência de passagem, uma intersecção com uma passadeira, e finalmente uma intersecção semaforizada. Em particular, foi feita uma análise microscópica ao longo da área de influência destes eventos. Como resultado desta investigação identificaram-se padrões e detetaram-se desvios que permitem caracterizar o comportamento de condução nos eventos estudados, de forma a evidenciar especificidades que possam ser associadas à avaliação do conforto. Os resultados gerais das simulações permitiram tirar conclusões inerentes aos modos de transmissão, indicando uma maior tendência para velocidades e perfis de aceleração mais elevados nos veículos com transmissão automática, face aos manuais. No estudo dos eventos individuais, foi possível perceber que eventos em que o condutor não precisa de imobilizar totalmente o veículo apresentam um impacto ambiental menor, como é o caso da cedência de passagem. Por outro lado, eventos que podem levar o condutor a parar, como semáforos, passadeiras e cruzamentos com sinal de paragem obrigatória, bem como situações inesperadas, levam os níveis de sobreaceleração a aumentar criando uma maior sensação de desconforto por parte do condutor. Em suma, consideramos que os resultados obtidos serão relevantes para o apoio à tomada de decisão no que respeita a medidas individuais (p.ex., indicador ou controlador de mudança de transmissão com objetivos de sustentabilidade para minimizar emissões e melhorar o conforto e a segurança) e políticas (p.ex., estratégias de planeamento urbano da infraestrutura) para melhoria da segurança rodoviária bem como dos impactos ambientais intrínsecos à tarefa de condução.