Pöhler, JonasJonasPöhler2026-04-152026-04-152025-11-07https://dspace.ub.uni-siegen.de/handle/ubsi/9102Das „Automatisierungs-Paradoxon“ in sicherheitskritischen Bereichen versetzt menschliche Bediener in eine überwachende Rolle, wodurch ihre Fähigkeiten beeinträchtigt werden, während sie gleichzeitig weiterhin als letzte kognitive Sicherheitsvorkehrung bei kritischen Ereignissen fungieren müssen. Dies erfordert neue Methoden zur Überwachung des kognitiven Zustands des Bedieners, doch die Forschung wird durch eine „Fidelity-Lücke“ behindert. Hochpräzise Simulatoren sind oft nicht zugänglich, während zugängliche, weniger präzise Tools möglicherweise keine verallgemeinerbaren Ergebnisse liefern, was einen neuen Ansatz für die simulatorbasierte Forschung erforderlich macht. Diese Dissertation befasst sich mit dieser Lücke, indem sie das Konzept des psychophysiologischen Realismus vorschlägt und validiert, ein Kriterium für die Validität von Simulatoren, das darauf basiert, ob eine Umgebung für das kognitive und autonome Nervensystem eines Bedieners realistisch wirkt. Der zentrale methodische Beitrag ist ein Rahmenkonzept für die Ausstattung zugänglicher Simulationsplattformen mit multimodalen Sensorsuiten, wodurch diese zu validen wissenschaftlichen Instrumenten für die Bewertung des Zustands und Verhaltens von Bedienern werden. Die Forschung wurde in vier empirischen Studien durchgeführt. Zunächst wurde die Machbarkeit des Ansatzes durch die Ausstattung eines webbasierten Notfall-Dispatch-Simulators (LstSim) nachgewiesen, der psychophysiologische Reaktionen auf Stress erfassen konnte. Diese Methode wurde anschließend validiert, indem objektive Atemdaten, die unter hoher Belastung um 13,08% anstiegen, mit NASA-TLX-Arbeitsbelastungswerten korreliert wurden, wodurch bestätigt wurde, dass der Simulator die kognitive Belastung zuverlässig messen kann. Die Skalierbarkeit des Rahmens wurde anschließend durch die Verallgemeinerung der Methodik auf eine Flugsicherungssimulation (ATC) mit einer erweiterten, integrierten Sensorsuite demonstriert. Um schließlich die Verhaltensgenauigkeit zu bewerten, wurde in einer Studie, in der die Bewegungen von Radfahrern in einem Virtual-Reality-Simulator (VR) mit denen in der realen Welt verglichen wurden, eine „Genauigkeitslücke” empirisch quantifiziert. Dabei zeigte sich, dass zwar die grundlegenden biomechanischen Eigenschaften gut übertragen wurden, jedoch erhebliche Abweichungen bei den übergeordneten Kontrollstrategien und emotionalen Reaktionen auftraten. Insgesamt liefert diese Forschung eine integrierte Methodik, die die objektive Messung des kognitiven Zustands eines Bedieners in einem Simulator mit der quantitativen Bewertung der Verhaltensgenauigkeit dieser Umgebung verbindet. Das Framework liefert die sensorischen Eingaben für die Entwicklung adaptiver Schnittstellen, ermöglicht ein zustandsbewusstes Training und unterstützt einen evidenzbasierten Ansatz für die Entwicklung ergonomischer Systeme in sicherheitskritischen Bereichen.The "Automation Paradox" in safety-critical domains shifts human operators into supervisory roles, degrading their skills while still requiring them to act as the ultimate cognitive failsafe during critical events. This necessitates new methods to monitor the operator's cognitive state, but research is hampered by a "fidelity gap". High-fidelity simulators are often inaccessible, while accessible low-fidelity tools may not produce generalizable results, creating a need for a new approach to simulator-based research. This dissertation addresses this gap by proposing and validating the concept of psychophysiological realism, a criterion for simulator validity based on whether an environment feels real to an operator's cognitive and autonomic nervous systems. The core methodological contribution is a framework for instrumenting accessible simulation platforms with multimodal sensor suites, turning them into valid scientific instruments for assessing operator state and behavior. The research progressed through four empirical studies. First, the approach's feasibility was established by instrumenting a web-based emergency dispatch simulator (LstSim), showing it could capture psychophysiological responses to stress. This method was then validated by correlating objective respiration data, which increased by 13.08% under high load, with subjective NASA-TLX workload scores, confirming the simulator could reliably measure cognitive load. The framework's scalability was subsequently demonstrated by successfully generalizing the methodology to an Air Traffic Control (ATC) simulation with an expanded, integrated sensor suite. Finally, to assess behavioral fidelity, a study comparing cyclist movement in a virtual reality (VR) simulator to the real world empirically quantified a "fidelity gap". It revealed that while core biomechanics transferred well, significant divergences emerged in higher-order control strategies and emotional responses. Collectively, this research delivers an integrated and validated methodology that connects the objective measurement of an operator's cognitive state within a simulator to the quantitative assessment of that environment's behavioral fidelity. The framework provides the sensory input for developing intelligent adaptive interfaces, enables more rigorous, state-aware training, and supports an evidence-based approach to designing cognitively ergonomic systems in safety-critical domains.enAttribution-ShareAlike 4.0 Internationalhttp://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0/621.3 Elektrotechnik, ElektronikSimulatorvaliditätKognitive BelastungSicherheitskritische SystemeSimulator validityCognitive load measurementSafety-critical systemsDoctoral ThesisKristof Van Laerhovenurn:nbn:de:hbz:467-91022