Autonavigaattorilaitteiden vaikutus käyttäjän ajosuoritukseen säie-kognitio-mallin mukaan Esitän, että Salvuccin ja Taatgenin (2008) säie-kognitio-mallin (threaded cognition) avulla voidaan mallintaa autonavigaattoreiden käyttämistä liikenteessä. Käytän esimerkkinä Srinivasanin (1997) tutkimusta, jossa vertailtiin erilaisia autonavigaattoreiden käyttöliittymätyyppejä, ja osoitan, että säie-kognitio-mallin avulla voidaan selittää, minkä vuoksi autonavigaattorin antamat auditiiviset reittiohjeet aiheuttavat vähemmän ongelmia liikenteessä kuin visuaalisesti annetut reittiohjeet. Johdanto Autonavigaattorin käyttäminen autolla ajamisen yhteydessä edellyttää, että käyttäjä kohdentaa tarkkaavaisuuttaan liikenteen ja auton hallinnan lisäksi navigaattoriin. Autolla ajamista ja autonavigaattorin käyttämistä yhtä aikaa kutsutaan kognitiiviseksi moniajoksi (cognitive multitasking) (Wickens & Hollands 2000: 439-440). Autolla ajaminen on tällöin ensisijainen tehtävä ja autonavigaattorin käyttäminen toissijainen tehtävä. Autonavigaattorin käyttäminen vaikeuttaa ensisijaisen tehtävän suorittamista ja saattaa lisätä käyttäjän ensisijaisessa tehtävässä tekemien virheiden todennäköisyyttä ja määrää. Autonavigaattoreiden käyttämistä ajamisen aikana on tutkittu melko paljon (Srinivasan 1997, Wierville ym. 1988, Tsimhoni & Green 2003). Näissä tutkimuksissa on selvitetty, miten autonavigaattoreiden tapa antaa reittiohjeita vaikuttaa käyttäjien ajamissuoritukseen. Tutkimuksissa on vertailtu, minkälaisia autonavigaattoreita katsotaan ajotilanteissa pisimpään, miten eri käyttöliittymätyypit vaikuttavat ajajien reaktionopeuteen tai mitkä käyttöliittymätyypit lisäävät ajajien virheiden todennäköisyyttä eniten. Tutkimukset ovat tuottaneet käyttöliittymäsuosituksia autonavigaattoreille, mutta teoreettisia selityksiä sille,
minkä vuoksi tietty käyttöliittymätyypit ovat toisia parempia, ei ole esitetty. Srinivasan (1997) asetti koehenkilöt ajosimulaattoriin ja esitti heille ajo-ohjeita joko auditiivisesti ennen jokaista risteystä, paperikartan avulla, digitaalisen kartan avulla, visuaalisesti ennen jokaista käännöstä alhaalla sijaitsevalla näytöllä (turn-by-turn display) tai ennen jokaista käännöstä näytöllä, joka sijaitsi ylhäällä oikealla. Käyttäjien piti reagoida painamalla nappia, kun he näkivät tielle ilmestyneen ärsykkeen. Tutkimuksessa havaittiin, että ärsykkeisiin reagoidaan nopeasti, kun ajoohjeet annetaan auditiivisesti, ja hitaasti, kun ajo-ohjeet esitetään aina ennen seuraavaa risteystä ylhäällä sijaitsevalla näytöllä. Vaikka näitä tutkimustuloksia voidaan soveltaa suoraan autonavigaattoreiden suunnitteluun, ei niille tarjota teoreettisia selityksiä. Salvucci ja Taatgen (2008) esittävät komputationaalisen mallin, jonka avulla halutaan selittää, miten ihmiset prosessoivat informaatiota tehdessään useita tehtäviä samaan aikaan ja ymmärtää, mitkä piirteet ihmisen kogniitivisessa prosessoinnissa mahdollistavat kognitiivinen moniajon. Säie-kognitio-malli (threaded cognition) laajentaa ACT-R -mallia (Andersson ym. 2004) selittämään kognitiivista moniajoa (multitasking). Säie-kognitio perustuu ajatukseen, että kognitiivisessa moniajossa ihmisen suorittamat tehtävät muodostavat kognitiivisen prosessoimisen säikeet, jotka kuormittavat yhteisiä kognitiivisia resursseja. Kognitiivisen toiminnan säikeet voidaan esittää aikajanoina (timelines), ja niiden avulla voidaan tarkastella usean tehtävän suorittamiseen vaikuttavia kognitiivisen prosessoimisen pullonkauloja. Myös Srinivasanin (1997) tutkimustulokset voidaan selittää säie-kognitio-mallin mukaisten aikajanojen avulla. Esittelen esseen seuraavassa osiossa säie-kognitio-mallin oletukset. Tämän jälkeen tarkastelen Srinivasanin (1997) tutkimustuloksia säie-kognitio-mallin valossa ja esitän, minkälaisia kognitiivisen prosessoinnin säikeitä syntyy kuljettajan käyttäessä autonavigaattoria. Osoitan myös, että kuljettajan kognitiivisen prosessoimisen säikeet voidaan esittää säie-kognitio-mallin mukaisina aikajanoina.
Säie-kognitio-malli Säie-kognitio -malli pohjautuu oletuksiin siitä, miten ihmiset suorittavat yksittäisiä tehtäviä. Nämä oletukset muodostavat säie-kognitio-mallin ytimen, mutta yksin niiden avulla ei voida ymmärtää, miten ihmisten kognitiivinen järjestelmä vaikuttaa ja rajoittaa useiden tehtävien suorittamista yhtä aikaa. Jotta säie-kognitio-mallia voidaan laajentaa koskemaan usean tehtävän suorittamista yhtä aikaa, tarvitaan lisäoletuksia. Säie-kognition haasteena on rakentaa kognitiivinen arkkitehtuuri, joka perustuu kognitiotieteelliseen tutkimukseen ja malleihin sekä osoittaa, miten nämä mallit voivat toimia yhdessä siten, että lopputulos mahdollistaa kognitiivisen moniajon. Säie-kognition ensisijaisia oletuksia ovat: Oletus prosessointiresursseista. Säie-kognition mukaan ihmiset käyttävät toisistaan erillisiä kognitiivisia, perseptuaalisia ja motorisia resursseja. Perseptuaalisten resurssien avulla ihmiset voivat omaksua tietoa ympäröivästä maailmasta. Motoristen resurssien avulla ihmiset voivat toimia maailmassa. Kognitiiviset resurssit prosessoivat perseptuaalista tietoa pidemmälle, hyödyntävät tietoa ihmisen sisäisestä ja ulkoisesta tilasta ja ohjaavat perseptuaalista ja motorista prosessointia. Säie-kognition mukaan jokainen kognitiivinen resurssi koostuu moduulista (module) ja puskurista (buffer). Moduuli prosessoi resurssin vaatimaa informaatiota, ja puskuri on viestintäkanava, jonka kautta informaatio puskurin ja proseduraalisten resurssien välillä kulkee. Oletus kognitiivisista resursseista. Toisistaan erilliset deklaratiivinen ja proseduraalinen resurssi kuuluvat kognitiivisiin resursseihin. Deklaratiivinen resurssi vastaa pitkäkestoista muistia ja tallentaa asiatietoa. Proseduraalinen resurssi yhdistää muiden resurssien tuottamaa tietoa ja toteuttaa toimintaa. Oletus deklaratiivisesta resurssista. Deklaratiivinen resurssi tallentaa tietoa mieltämisyksiköinä (chunk). Mieltämisyksiköt on toteutettu säie-kognitioon samalla tavalla kuin ACT-R- kognitiiviseen arkkitehtuuriin (Andersson ym. 2004). Jokainen mieltämisyksikkö sisältää attribuutti-arvo-pareja (attribute-value pairs).
Deklaratiivista moduulia voidaan pyytää palauttamaan tietty informaatio epätäydellisen lauseen (partial pattern) perusteella. Jos deklaratiivinen moduuli onnistuu palauttamaan tiedon, sijoitetaan tieto deklaratiivisen resurssin puskuriin. Säie-kognitiossa on lisäksi määritelty, millä todennäköisyydellä tieto onnistutaan palauttamaan ja miten paljon todennäköisyys muuttuu ajan mittaan. Oletus perseptuaalisista ja motorisista resursseista. Perseptuaaliset ja motoriset resurssit mahdollistavat tiedon hankkimisen ulkomaailmasta ja maailmassa toimimisen. Auditiivinen ja visuaalinen resurssi kuuluvat perseptuaalisiin resursseihin. Molemmissa resursseissa on mitä- ja missä -järjestelmä. Missäjärjestelmä tarkkaavaisuutta ohjaava järjestelmä ja se etsii ympäristöstä objekteja, joihin tarkkaavaisuus voi kiinnittyä. Mitä-järjestelmä taas tunnistaa objektin tai äänen. Oletus proseduraalisesta resurssista. Proseduraalinen resurssi on säie-kognition keskeinen osa. Se välittää toimintapyyntöjä muiden resurssien välillä ja proseduraalinen resurssi on usein myös merkittävä kognitiivinen pullonkaula. Proseduraalinen resurssi sisältää produktiosääntöjä (production rules), jotka sisältävät joukon ehtoja ja toiminnon (action), joka toteutuu, jos ehdot täyttyvät. Produktiosääntöjen toiminnot ja ehdot käyttävät resurssien puskureita informaation siirtämiseen. Produktiosääntöjen ehdot tarkistavat, minkälaista tietoa on eri resurssien puskureissa, ja yhdistävät tämän tiedon. Jos produktiosääntö laukeaa, asettaa proseduraalinen resurssi uusia prosessointipyyntöjä muiden resurssien puskureihin. Proseduraalisella resurssilla on myös oma maalipuskuri (goal buffer), joka tallentaa tietoa proseduraalisen resurssin kunkin hetken tavoitteesta. Produktiosääntö voi testata resurssien moduulien ja puskureiden sisältöä kahdella tavalla. Ensiksi produktiosääntö voi testata, suorittaako moduuli tietyllä hetkellä laskentaa. Toiseksi produktiosääntö voi testata, onko resurssin puskuri tietyllä ajan hetkellä vapaa vai käytössä. Moduuli täyttää puskurin informaatiolla, kun moduuli on suorittanut informaationprosessointia vaativan tehtävän. Puskuri tyhjentyy, kun puskurissa oleva informaatio vastaa produktiosäännön ehtoa ja produktiosääntö käyttää tätä informaatiota.
Resurssi ei ole vapaa, jos sen moduuli prosessoi informaatiota tai jos sen puskuri on täynnä. Muissa tapauksissa resurssi on vapaa, ja produktiosääntö voi tarvittaessa käynnistää resurssin informaation prosessoinnin. Oletus proseduraalisesta oppimisesta. Oppimisen alkuvaiheessa ihminen tarvitsee deklaratiivista resurssia uuden tehtävän suorittamiseen. Ihminen voi tallentaa ohjeita deklaratiiviseen resurssiin esimerkiksi perseptuaalisten resurssien avulla. Kun ohjeet on tallennettu deklaratiiviseeen resurssiin, siirtyvät ne vähitellen proseduraaliseen resurssiin. Tässä muutoksessa hyödynnetään produktiosääntöjä, jotka muuttavat deklaratiivisia ohjeita proseduraalisiksi. Säie-kognition oletus siitä, että oppimisen myötä ohjeet siirtyvät deklaratiivisesta resurssista proseduraaliseen, selittää, minkä takia ihmisten on vaikea suorittaa kahta uutta tehtävää yhtä aikaa. Tällaisessa tilanteessa deklatiivinen resurssi toimii informaation prosessoinnin pullonkaulana, sillä molemmat uudet tehtävät tarvitsevat deklaratiivista resurssia tavoitteen saavuttamiseksi. Oletus prosessoimisen säikeistä. Ihmisen kognitio ylläpitää useita tavoitteita, joihin se aktiivisesti pyrkii. Nämä tavoitteet luovat informaationprosessoimisen säikeitä, jotka haluavat toteuttaa tavoitteen. Kun ihminen suorittaa yhtä tehtävää, ohjaa tavoite proseduraalista resurssia siten, että ainoastaan tavoitteen kannalta olennaiset produktiosäännöt huomioidaan. Ihmisen tavoitepuskurissa voi kuitenkin olla samaan aikaan useita tavoitteita. Jokainen tavoite aktivoi tietyt produktiosäännöt. Kun produktiosääntöjä toteutetaan, syntyy kognitiivisen prosessoinnin säikeitä, joiden avulla pyritään tiettyjen tavoitteiden saavuttamiseen. Säie tarkoittaa kaikkea sitä kogntiivista prosessointia ja produktiosääntöjen laukeamista, jonka tavoitteena on tietyn tavoitteen saavuttaminen. Oletus resurssien seriaalisuudesta. Kaikki kognitiiviset, perseptuaaliset ja motoriset resurssit toteuttavat prosessointipyyntöjä seriaalisesti, yksi kerrallaan. Muiden prosessointipyyntöjen täytyy odottaa, kunnes resurssi on taas vapaa ja voi suorittaa uutta prosessointia. Erityisesti proseduraalisen resurssin seriaalisuus on tärkeä osa säie-kognitiota, sillä se selittää, minkälaisia prosessoimisen pullonkauloja ihminen
kohtaa suorittaessaan useaa tehtävää yhtä aikaa. Oletus resurssien käyttämisestä. Kognitiivisen prosessoimisen säikeet vaativat itselleen resursseja heti, kun produktiösääntö tarvitsee niitä. Säikeet myös vapauttavat resursseja toisten säikeiden käyttöön heti, kun resurssin prosessointia ei enää tarvita. Oletus säikeiden välisten konfliktien ratkaisemisesta. Kun useat kognition säikeet kilpailevat samasta resurssista, ne säikeet, joita on prosessoitu eteenpäin viimeisimpinä, joutuvat odottamaan kun taas säikeet, jotka ovat joutuneet odottamaan saavat resursseja käyttöönsä. Tämä oletus estää sen, että tietyt säikeet pääsisivät etenemään jatkuvasti, kun taas toiset säikeet joutuisivat odottamaan jatkuvasti resurssien vapautumista. Säie-kognitio-mallin autonavigaattorin käyttöön Salvuccin ja Taatgenin (2008) säie-kognitio-mallin avulla ihmisen suorittamat tehtävät voidaan mallintaa aikajanoina (timeline) (kuvat 1. ja 2.). Aikajanoissa ihmisen ensisijainen ja toissijainen tehtävä voidaan esittää erillisinä säikeinä. Kussakin säikeessä voi ainoastaan yksi resurssi (kognitiivinen tai proseduraalinen resurssi tai jokin perseptuaalisista resursseista) toimia tietyllä hetkellä. Kun ihminen suorittaa kognitiivista moniajoa ja kohtaa tilanteen, jossa molemmat tehtävien säikeet vaativat saman resurssin käyttöä, täytyy toisen säikeen odottaa resurssin vapautumista ennen kuin se saa resurssin käyttöönsä ja pääsee jatkamaan. Autonavigaattoreiden käyttöliittymien parantaminen edellyttää, että tilanteiden, joissa käyttäjän tietty kognitiivinen resurssi ylikuormittaa, määrä on mahdollisimman pieni. Säie-kognitio-mallin soveltaminen autonavigaattoreiden vuorovaikutussuunnittelusta tehtyjen päätelmien analysoimiseen edellyttää, että autolla ajamisesta rakennetaan yksinkertaistettu malli. Kuvissa 1. ja 2. on esitetty, miten käyttäjän erilaiset kognitiiviset resurssit kuormittuvat, kun koehenkilö suorittaa samaa tehtävää kuin Srinivasanin (1997) tutkimuksessa. Kuvassa 1. esitetään säie-kognitio-mallin mukainen aikajanaesitys siitä, miten käyttäjän kognitiiviset resurssit kuormittuvat, kun reittiohjeet annetaan visuaalisesti. Kuvassa 2. esitetään säie-kognitio-mallin
mukainen aikajanaesitys, kun reittiohjeet esitetään auditiivisesti. Molemmissa kuvissa autolla ajaminen on mallinnettu mahdollisimman yksinkertainen ajotilanne, jossa kuljettaja huolehtii seuraavista asioista: Auton tasainen liike. Auto ei hidastu tai kiihdy, auton suunta ei muutu. Risteyksissä kuljettaja painaa ensin jarrua hidastaakseen auton liikettä ennen risteystä ja kääntää tämän jälkeen rattia. Kuvan 1. vasemmanpuoleinen säie esittää, mihin asioihin kuljettajan täytyy kiinnittää huomiota ajamisen aikana. Vasemmanpuoleinen säie huolehtii auton liikkeen hallitsemisesta ja tiellä esitettävien ärsykkeiden havaitsemisesta sekä niihin reagoimisesta. Oikeanpuoleinen säie esittää käyttäjän reittiohjeita seuraavan säikeen toimintaa. Alussa kuljettaja käyttää proseduraalista resurssia pitääkseen auton liikkeen tasaisena. Auton liikkeen pitäminen tasaisena on hyvin automatisoitunut toiminto, ja se kuormittaa lähinnä proseduraalista resurssia. Kuljettajan visuaaliselle resurssille syntyy ylikuormitustilanne, kun käyttäjä havaitsee tiellä esitetyn ärsykkeen samaan aikaan, kun autonavigaattorin ruudulla esitetään visuaalisia reittiohjeita. Tällöin kuljettajan täytyy odottaa visuaalisen resurssin vapautumista ennen kuin hän havaitsee visuaalisesti esitetyn reittiohjeen. Kuljettajan proseduraalinen resurssi ylikuormittuu jälleen, kun tiellä havaitun ärsykkeen ja reittiohjeen huomioiminen kuormittavat kuljettajan proseduraalista resurssia. Tällöin kuljettaja ei suuntaa tarkkaavaisuuttaan reittiohjeeseen ennen kuin proseduraalinen resurssi on vapautunut. Proseduraalinen resurssi ylikuormittuu kolmannen kerran, kun ärsykkeen havaitsemisesta vastaava säie huolehtii siitä, että käyttäjä painaa nappia, ja reittiohjeen seuraamisesta vastaava säie huolehtii seuraavaksi siitä, että käyttäjä painaa jarrua. Kuljettaja painaa jarrua, kun proseduraalinen resurssi on vapautunut ärsykkeen havaitsemista vaativasta toiminnasta.
Ärsykkeen havaitseminen ajaessa Reittiohjeen seuraaminen Proc.: Pidä auton liike tasaisena Visual: Havaitse ärsyke tiellä Odota proseduraalista resurssia Proc.: Huomioi ärsyke Visual: Tulkitse ärsyke Proc.: Paina nappia Odota visuaalista resurssia Visual: Havaitse ärsyke Odota proceduraalista resurssia Proc.: Kiinnitä tarkkaavaisuus ärsykkeeseen Odota proseduraalista resurssia Proc.: Paina jarrua. Proc.: Käännä rattia Kuva 1. Säie-kognitio mallin mukainen esitys visuaalisia reittiohjeita antavan autonavigaattorin käyttämisestä ajamisen aikana. Kuvassa 2. esitetään säie-kognitio-mallin mukaiset aikajanat siitä, miten kuljettaja toimii, kun hänelle esitetään reittiohjeet auditiivisesti ja hän suorittaa Srinivasanin (1997) tutkimuksen mukaista tehtävää. Alussa kuljettaja käyttää proseduraalisen resurssinsa auton liikkeen pitämiseen tasasisena. Ärsykkeen havaitsemisesta huolehtiva säie käyttää visuaalista resurssia, kun tielle ilmestyy ärsyke. Auraalinen resurssi taas kuormittuu, kun kuljettajalle esitetään reittiohje auditiivsesti. Proseduraalinen resurssi ylikuormittuu, kun visuaalinen ärsykkeen sekä havaitsemisesta huolehtiva säie että reittiohjeen seuraamisesta huolehtiva säie tarvitsevat proseduraalista resurssia, ja toinen säikeistä joutuu odottamaan proseduraalisen resurssin vapautumista. Tämän jälkeen säikeet jatkavat ilman resurssien ylikuormittumista. Ärsykkeen havaitsemisesta huolehtiva resurssi huomioi kadulla esitetyn visuaalisen ärsykkeen, tulkitsee sen ja painaa nappia. Reittiohjeen seuraamisesta huolehtiva säie kiinnittää tarkkaavaisuuden auditiiviseen reittiohjeeseen, tulkitsee sen ja hidastaa ajoneuvon vauhtia. Proseduraalinen säie ylikuormittuu toisen kerran, kun kuljettajan täytyy samaan aikaan painaa nappia sekä kääntää rattia. Tässä tilanteessa reittiohjeen seuraamisesta huolehtivan säie kääntää rattia vasta, kun ärsykkeen havaitsemisesta huolehtiva säie on vapauttanut proseduraalisen resurssin.
Ärsykkeen havaitseminen ajaessa Reittiohjeen seuraaminen Proc.: Pidä auton liike tasaisena Visual: Havaitse ärsyke tiellä Odota proseduraalista resurssia Proc.: Huomioi ärsyke Visual: Tulkitse ärsyke Proc.: Paina nappia Aural: Havaitse äänii Proc.: Kiinnitä tarkkaavaisuus ääneen Aural: Tulkitse ääni Proc.: Jarruta käännöstä varten. Odota proseduraalista resurssia Proc.: Käännä rattia Kuva 2. Säie-kognitio-mallin mukainen esitys auditiivisia reittiohjeita antavan autonavigaattorin käyttämisestä ajamisen aikana. Päätelmät Säie-kognitio-mallin mukainen analyysi selittää Srininivasanin (1997) päätelmän, että autonavigaattorin reittiohjeet kannattaa esittää mielummin auditiivisesti kuin visuaalisesti. Säie-kognition-mallin mukaan auditiivinen reittiohje kuormittaa proseduraalista resurssia vähemmän visuaalinen reittiohje. Auditiivisten reittiohjeiden hyöty perustuu siihen, että ne eivät kuormita kuljettajan visuaalista resurssia. Säiekognitio-mallin mukainen aikajana-analyysi osoittaa kuitenkin visuaalisen, auditiivisen ja proseduraalisen resurssin monimutkaisen yhteyden. Auditiiviset reittiohjeet toimivat paremmin kuin visuaaliset reittiohjeet, mutta tämä ei johdu visuaalisen resurssin ylikuormittumisesta, vaan siitä, että auditiivinen resurssi pystyy hyödyntämään proseduraalista resurssia paremmin. Säie-kognitio mallin mukainen analyysi osoittaa myös, että säie-kognitio-mallin avulla voidaan kognitiivista moniajoa ymmärtää ja selittää yhä paremmin. Erityisesti aikajana-analyysi tarjoaa hyvän tavan visualisoida käyttäjän kognitiivisten resurssien toimintaa. Lähteet: Anderssson, J. R., Bothell, D., Byrne, M. D., Douglas, S., Lebiere, C. & Qin, Y. (2004): An Integrated Theory of Mind. Psychological Review, 111, s.1036-1060.
Salvucci, D. D. & Taatgen, N. A. (2008): Threaded Cognition: An Integrated Theory of Concurrent Multitasking. Psychological Review, 115(1), s. 101-130. Srinivasan, R. (1997): Effect of Selected In-Vehicle Route Guidance Systems on Driver Reaction Times. Human Factors, 39(2), s. 200-215. Tsimhoni, O. & Green, P. (2003): Time-Sharing of a Visual In-Vehicle Task While Driving: The Effects of Four Key Constructs. Proceedings of the Second International Driving Symposium on Human Factors in Driver Assesment, Training and Vehicle Design (s. 113-118). Park City, Utah. Wickens, C. D. & Hollands, J. G. (2000): Engineering Psychology. 3. painos. New Jersey: Prentice Hall. Wierwille, W. A., Antin, J. F., Dingus, T. A. & Hulse, M. C. (1988): Visual Attentional Demand of an In-Car Navigation Display System. Teoksessa A. G. Gale (toim.): Vision in Vehicles II ( s. 307-315). North-Holland: Elsevier Science Publishers.