Automobilergonomie

Ein historischer Abriss der Automobilgeschichte zeigt, dass Fahrzeugentwickler schon immer danach strebten, das Automobil an die Bedürfnisse des Kunden und Nutzers anzupassen. Mit den immer umfangreicher werdenden Möglichkeiten der Technik ist es aber notwendig geworden, diesen Prozess mit wissenschaftlichen Methoden zu unterstützen. Ziel des Wissensgebietes Ergonomie ist es, Arbeitsmittel und -bedingungen an den Eigenschaften, Fähigkeiten und Wünschen des Menschen zu orientieren. Damit liefert diese Disziplin das Grundlagenwissen für eine den Nutzer einbeziehende Gestaltung des Automobils. Die verschiedenen Teilgebiete der Ergonomie werden definiert und erläutert. Dabei sind die Analyse der Aufgaben des Fahrers von grundlegender Bedeutung, sowie die Untersuchung des Informationsflusses zwischen den am Gesamtsystem Verkehr beteiligten Teilsystemen.

Eine wissenschaftlich fundierte ergonomische Gestaltung eines technischen Mittels setzt zunächst die genaue Beschreibung der Aufgabe voraus, die mit ihm erfüllt werden soll. Mit der Vorstellung des Regelkreises kann der Informationsfluss beschrieben werden, der von der Aufgabe über den die Maschine (Fahrzeug) bedienenden Menschen zum Ergebnis führt. Mit diesen Mitteln ist die Güte (Qualität) der Aufgabenerfüllung quantitativ beschreibbar insbesondere unter dem Aspekt, dass die entsprechenden Prozesse dynamisch ablaufen. Werden dabei geforderte Qualitätsgrenzen überschritten, spricht man von Fehler, der sowohl technische als insbesondere menschliche Ursachen haben kann. Das damit einhergehende Unfallrisiko kann abgeschätzt werden und daraus Maßnahmen zu dessen Reduzierung abgeleitet werden.

Um das Fahrzeug an den Menschen anzupassen, ist die Kenntnis einiger seiner Eigenschaften und Fähigkeiten unerlässlich. Speziell werden die Eigenschaften der einzelnen Sinnesorgane insbesondere zur Informationsaufnahme dargestellt. So wird die Art und Weise erklärt, wie die hochgeübte Tätigkeit des routinierten Fahrers zu verstehen ist und wie in geänderten Situationen Entscheidungen ablaufen, insbesondere auch wodurch die Informationsverarbeitung limitiert ist. Zudem werden die Strukturen der Reizübertragung durch Nervenfasern in der Muskulatur wiedergegeben. Gerade für ein tieferes Verständnis des Autofahrens sind spezifische Aspekte der Informationsverarbeitung zu betrachten. Dazu gehört insbesondere das Gefühl für die Zeit, das Blickverhalten beim Fahren, aber auch emotionale Aspekte, wie das Empfinden von Komfort und Diskomfort und die individuelle Reaktion des Fahrers auf die durch die Fahraufgabe gegebene Belastung. Die sich daraus ergebenden Fahrfehler und deren Ursachen werden eingehend erläutert.

Neben den kognitiven Eigenschaften des Fahrers ist für die Gestaltung des Fahrzeugs vor allem die körperliche Beschaffenheit des Menschen von großer Bedeutung. Diese wird unter dem Begriff Anthropometrie zusammengefasst. Sie bezieht sich sowohl auf die geometrischen Eigenschaften des gesamten physiologischen Apparats, als auch auf die Möglichkeit Kräfte aufzubringen. Der Aufbau des Skelettsystems mit den Bewegungsmöglichkeiten der Gelenke und der Wirkungsweise der Muskulatur wird im Detail beschreiben. Für die Gestaltung des Fahrzeugs von besonderem Interesse sind die Längen- und Umfangsmaße, die Gewichte, die Möglichkeiten, das Kräftevermögen und die Beweglichkeit der Fahrzeuginsassen. Es wird dabei auch auf die immer mehr an Bedeutung gewinnende Abhängigkeit dieser Maße vom Lebensalter eingegangen.

Für den sicheren Umgang mit dem Automobil spielt der Informationsfluss zwischen Fahrer und Fahrzeug die dominante Rolle. Die Untersuchung und Beschreibung dieses Informationsflusses ist Gegenstand der sogenannten Systemergonomie. Ausgangspunkt für die Betrachtung ist dabei die der Aufgabe zugrundeliegende Funktion. Für das Zurechtkommen des Fahrers im technischen Umfeld ist die Kompatibilität entscheidend, also die sachgerechte Rückmeldung über den Erfolg der Handlung und die Leichtigkeit des Übergangs zwischen dem mental vorliegenden Handlungsziel und der für die Realisierung notwendigen Handlung. Aus diesen grundsätzlichen Überlegungen leitet sich die Gestaltung von Anzeigen und Bedienelementen ab, deren korrekter Einsatz von den unterschiedlichen Niveaus der Fahraufgabe abhängt. Da das Fahrzeug aus systemergonomischer Sicht wie eine Erweiterung der Hände und Füße des Fahrers wirkt, steht die Gestaltung der fahrrelevanten Eigenschaften im besonderen Fokus der systemergonomischen Betrachtung. Speziell wird diesbezüglich das Lenkgefühl und das Empfinden der Längsdynamik untersucht. Auch moderne Möglichkeiten des X-by-Wire sind Gegenstand der Betrachtung.

Das klassische Gebiet der ergonomischen Fahrzeuggestaltung ist das sogenannte Fahrzeugpackaging, das den Freiraum für Fahrer und Passagiere definiert. Umfangreiche SAE-Vorschriften sind hierfür entwickelt worden. Durch den Einsatz moderner digitaler Menschmodelle wird die Anwendung dieser Vorschriften ergänzt und teilweise neu definiert. Folgende Arbeitsfelder der fahrzeugbezogenen anthropometrischen Ergonomie werden im Detail dargestellt: Da Fahren prinzipiell nur im Sitzen stattfinden kann und oftmals lange Strecken zurückgelegt werden, sind an Sitze und Sitzposition höchste Anforderungen zu stellen. Über 90 % der für das Fahren aufzunehmenden Information geschieht über die Sicht. Deshalb hat die Gestaltung der technischen Elemente, die die Sicht beeinträchtigen und unterstützen können elementare Bedeutung. Auch Bedien- und Anzeigekomponenten müssen im sog. Seh- und Greifraum des Menschen untergebracht sein. Eine wichtige Rolle spielt weiterhin das Raumgefühl, das sich nicht nur auf den Fahrerarbeitsplatz, sondern auch auf den des Beifahrers sowie auf die zweite und dritte Sitzreihe bezieht. Besondere Aufmerksamkeit ist speziell unter dem Aspekt der Altersverschiebung der Bevölkerung dem Ein- und Ausstieg gewidmet. Hierfür sind verschiedene Modellvorstellungen entwickelt worden, mit deren Hilfe der Zugang zum Fahrzeug optimiert werden kann. Neben dem Fahren spielt für die Akzeptanz das Beladen des Fahrzeugs eine wichtige Rolle. Ein eigenes Unterkapitel ist der Berücksichtigung spezifischer Nutzergruppen, speziell älterer Fahrzeugnutzer und Kinder gewidmet. Das Kapitel wird abgeschlossen durch eine Betrachtung der sog. Handwerklichkeit, welche u.a. die Freude am Produkt und dessen Begehrlichkeit ausmacht.

Umgebungseinflüsse beeinflussen die Interaktion des Fahrers mit seinem Fahrzeug. Man unterscheidet dabei zwischen den physikalischen und sozialen Umwelteinflüssen. Die klassischen physikalischen Umweltfaktoren können auf den Fahrer im positiven und negativen Sinn anregend bzw. belastend wirken. Sie tragen deshalb ganz wesentlich zur sog. Konditionssicherheit bei, weil sie bei der richtigen Gestaltung bewirken können, dass der Fahrer wach und motiviert bleibt. Im Einzelnen wird auf die Umweltfaktoren Beleuchtung, Schall, mechanische Schwingungen, Klima und Geruch eingegangen. Für jeden dieser Faktoren werden unter dem Aspekt der jeweiligen Reizschwellen und der durch die Reize ausgelösten menschlichen Empfindungen Empfehlungen für die technische Gestaltung gegeben. Besondere Berücksichtigung erfährt dabei auch, dass speziell die Umweltfaktoren Beleuchtung, Schall und Schwingungen im Zusammenhang mit dem Fahrzeug nicht nur Einfluss im Sinne des Belastungs-Beanspruchungs-Konzeptes nehmen, sondern auch Rückmeldungscharakter für den Fahrer haben.

Aus ergonomischer Sicht stellt jede Unterstützung menschlichen Handlungsvollzuges durch technische Mittel eine Assistenz dar. Assistenz kann also auf allen drei Ebenen der Aufgaben beim Fahren erfolgen. In das spezielle Interesse sind durch die Möglichkeiten der technischen Sensorik und Informationsverarbeitung aber solche Assistenzsysteme gerückt, die sich auf die primäre Fahraufgabe (Navigation, Führung und Stabilisierung) beziehen. Speziell durch die Unterstützung der Führungsaufgabe wird das Autofahren gegenüber dem bisher Gewohnten zum Teil erheblich verändert. Es werden aus ergonomischer Sicht die heute verfügbaren Fahrerassistenzsysteme einschließlich dem Müdigkeitswarner beschrieben und kategorisiert. Besonders wird untersucht, in welcher Weise und mit welcher Aussicht auf Erfolg Fahrerassistenzsysteme einen Beitrag zur Fahrsicherheit liefern können. Hierzu werden spezielle ergonomische Vorschläge zur Gestaltung von Bedienung und Anzeige sowie für die Unterscheidbarkeit der verschiedenen Zustände der Fahrerassistenzsysteme gemacht.

Der Produktentstehungsprozess eines neuen Kraftfahrzeugmodells ist durch hohe Komplexität charakterisiert, welche vor allem durch das Zusammenspiel zahlreicher kreativer Mitarbeiter sowohl innerhalb der Organisation des Automobilherstellers als auch im Lieferantenumfeld und bei diversen Dienstleistern bedingt ist. Anhand des zeitlichen Ablaufs dieses Produktentstehungsprozesses werden die Bereiche charakterisiert, in denen in speziellem Maße ergonomische Erkenntnisse und Maßnahmen Einsatz finden. Neben dem Einsatz digitaler Menschmodelle spielen dabei Untersuchungen mit Versuchspersonen eine wesentliche Rolle. Es werden die verschiedenen Methoden zur Simulation anthropometrischer Bedingungen wie Versuche mit Sitzkisten, variablem Ergonomieprüfstand in Verbindung mit virtueller Realität und die Simulation fahr- und verkehrsdynamischer Aspekte mithilfe von Fahrsimulatoren erläutert. Dabei finden sowohl die verschiedenen Simulatortechniken als auch deren Aussagekraft in Abhängigkeit vom technischen Ausbauzustand Beachtung. Auch Versuche mit realen Fahrzeugen und die dabei speziell verwendeten Techniken, die auf abgesperrtem Versuchsgelände oder gegebenenfalls auch im öffentlichen Straßenverkehr stattfinden, werden dargestellt. Abschließend wird noch der Einfluss von Kundenrückmeldungen auf die ergonomische Gestaltung beleuchtet.

Jede Neuentwicklung eines Fahrzeugs ist nur gerechtfertigt, wenn sie sich durch Innovationen von dem bisher Vorhandenem auszeichnet. Da Innovationen im allgemeinen für ihre Realisierung hohen technischen und finanziellen Aufwand erfordern, ist es notwendig, noch vor einer aufwändigen Verwirklichung einer Produktion und einem Anbieten auf dem Markt durch Versuche abzusichern, ob der erwartete Effekt (Sicherheit, Gebrauchstauglichkeit, Attraktivität u.v.m.) damit auch wirklich erreicht wird. Die im vorhergehenden Kapitel erläuterten Techniken finden hier eine praktische Anwendung. Die wissenschaftlichen Anforderungen an Versuche sind durch die Forderung nach Objektivität (das Ergebnis ist unabhängig von Versuchsbedingungen und von der Person, die den Versuch durchführt), Reliabilität (eine Wiederholung des Versuchs kommt zum gleichen Ergebnis) und Validität (es wird wirklich das gemessen, was Gegenstand der Untersuchung ist) definiert. Durch eine angemessene Versuchsplanung wird versucht, diesen Forderungen zu genügen. Man unterscheidet dabei objektive und subjektive Messungen. Die objektiven Messungen umfassen individuelle anthropometrische Maße, Körperhaltungen und -bewegungen, Kontaktkräften, Blickbewegungen, Messungen der Leistung beim Durchführen einer Fahraufgabe und die Erfassung physiologischer Parameter. Subjektive Messungen sind durch das Befragen von Versuchspersonen charakterisiert. Es werden deshalb grundsätzliche Aspekte der sog. Psychophysik erläutert, sodann Fragen der Interviewtechniken und Aufbau und Einsatz von standardisierten Fragebögen.

Untersuchungen, die in irgendeiner Form Probanden nutzen, stehen vor dem Problem der Streuung der Daten, die weit über das Maß hinausgehen, wie man es im technischen Bereich gewohnt ist. Mithilfe statistischer Methoden wird nachvollziehbar gemacht, ob ein im Versuch gefundenes Ergebnis akzeptiert werden kann oder abgelehnt werden muss. Dabei sind zwei unterschiedliche Fragestellungsarten zu unterscheiden: Bestimmung der Ausprägung bestimmter Merkmale in der relevanten Population (repräsentativ für die Kundenzielgruppe) und Prüfung der Unterschiedlichkeit verschiedener Bedingungen (qualitativer Konzeptvergleich). Für die erste Fragestellung sind die Fragen der Stichprobenziehung sowie die Bestimmung der jeweiligen Kenngrößen von besonderem Interesse. Das Vertrauensintervall gibt dabei an, wie präzise ein Stichprobenkennwert die Verhältnisse der Population wiedergibt. Geht es um die Unterschiedlichkeit verschiedener Bedingungen (zweite Fragestellung), so ist in Abhängigkeit von dem Untersuchungsgegenstand ein Versuchsplan im Hinblick auf die statistische Auswertbarkeit aufzustellen. Durch Signifikanztests kann dann über die Akzeptanz eines Versuchsergebnisses entschieden werden. Dabei muss man sich speziell gegen den sog. Alpha- und Beta-Fehler absichern, die jeweils die Wahrscheinlichkeit für eine Fehlentscheidung charakterisieren. Da das Ergebnis solcher statistischer Auswertungen oftmals multiple Abhängigkeiten zeigt, ist auf die Art der Darstellung (tabellarisch bzw. durch Grafiken) besonderer Wert zu legen, um das Ergebnis für den Nutzer der Studie anschaulich zu machen.

In einem Ausblick wird auf die besonderen ergonomischen Herausforderungen hingewiesen, welche sich durch die für die Zukunft zu erwartende Nutzung des Elektroantriebs und die zunehmende Automation anbahnen. Die Elektromobilität wird nicht nur das Erleben des Fahrens ändern, sondern stellt insbesondere auch neue Herausforderungen an die Klimatisierung des Fahrzeugs. Durch den schrittweisen Übergang zu autonomer Fahrzeugführung wandelt sich die Aufgabe des Fahrers von einer aktiv steuernden zu einer nur überwachenden Form. Diese Überwachungsaufgabe stellt andere und zum Teil auch höhere Anforderungen an den Fahrer als die traditionelle manuelle Fahrzeugführung. Viele Zukunftsszenarien gehen zudem davon aus, dass das zukünftige Mobilitätsverhalten zumindest in den Ballungszentren nicht mehr wesentlich durch den individuellen Besitz von Fahrzeugen charakterisiert ist. Dies alles stellen Bedingungen dar, die in der Zukunft neue ergonomische Fragestellungen hervorrufen.