Toute organisation se doit de gérer leur performance en mettant en place un ensemble de processus organisationnels et de technologies visant à optimiser l'exécution de leur stratégie pour atteindre leurs objectifs. Afin de faire le suivi de l’atteinte des objectifs et d’aider à la prise de décision, les tableaux de bord de gestion (TBG) gagnent de plus en plus en popularité auprès des gestionnaires. Un TBG est un outil visuel présentant les informations nécessaires à l’atteinte d’un ou plusieurs objectifs. Ces informations sont consolidées et organisées sur un seul écran afin de pouvoir les surveiller en un seul coup d’œil et de suivre les progrès par rapport aux objectifs définis. Un TBG doit principalement permettre aux gestionnaires d’obtenir une représentation mentale véridique et complète de l’état de la situation. Le modèle théorique de la conscience de la situation (CS) caractérise cette représentation mentale en trois niveaux : perception, compréhension et projection. La prise de décision s’appuie en grande partie sur la capacité à anticiper l’état futur de l’environnement qui réfère au niveau de la projection de la CS. Cette projection se base principalement sur la connaissance du système causal de l’environnement. Or, dans le domaine de la gestion, les différentes méthodes de conception de TBG n’abordent pas ou peu ce système causal et aucune de ces méthodes ne rend explicite ce système causal dans l’interface visuelle d’un TBG. Ce mémoire a ainsi pour objectif premier de proposer une technique de conception de TBG causal basée sur le système causal de l’environnement afin de mieux soutenir les trois niveaux de la CS, principalement le niveau de la projection. La littérature scientifique sur la CS et les modèles mentaux sont à la base de cette technique de conception. Cette recherche se distingue par le fait qu’elle applique à la gestion des notions provenant du domaine de l’ingénierie cognitive. Ces notions ont été appliquées dans des domaines tels l’aviation et le contrôle de processus industriels, mais rarement à la gestion. Le deuxième objectif est d’appliquer cette technique pour la conception d’un TBG causal pour la gestion de l’unité des soins intensifs pédiatriques du Centre hospitalier universitaire Ste-Justine. Finalement, le dernier objectif de ce mémoire est d’évaluer expérimentalement le TBG causal en le comparant à un TBG traditionnel. Le TBG traditionnel est similaire au TBG causal sauf qu’il ne présente pas de manière explicite le système causal. Cette expérimentation a été réalisée auprès de dix gestionnaires hospitaliers pendant une simulation de tâches. Cette simulation durait environ une heure et était constituée de dix-huit questions. Chaque question était reliée à un des trois niveaux de la CS. Afin d’évaluer le soutien de la CS par rapport au type de TBG utilisé, l’efficacité des réponses et le temps de complétion des tâches sont les mesures de performance analysées. Les principaux résultats de cette étude démontrent que l’explicitation du système causal ne permet pas d’avoir de meilleures prédictions, mais permet de réduire significativement le temps de réponse pour les tâches liées aux niveaux de la compréhension et de la projection de la CS.

L’objectif de cette thèse de doctorat est d’étudier les mécanismes en jeu dans les comportements informationnels lors de la prise de conscience de la situation afin d’en dégager des leviers permettant d’orienter ces comportements. Ces travaux s’inscrivent dans le cadre du développement du Serious Game 3DVOR, dispositif dédié à la gestion des risques au bloc opératoire. Dans un premier temps, nous avons filmé puis analysé 6 situations d’opération chirurgicale sans complication et avons observé les comportements informationnels des opérateurs du bloc lors d’une simulation numérique d’un cas complexe de chirurgie. Enfin nous avons élaboré un scénario permettant d’interagir avec des partenaires virtuels afin d’observer l’impact de leurs actions sur les stratégies informationnelles d’un apprenant. Nous avons analysé les données recueillies au regard de la littérature sur la conscience de la situation, particulièrement le modèle d’Endsley (1995). Nos résultats montrent que les comportements informationnels varient selon l’expertise des opérateurs et l’ambiguïté de la situation. Les experts adaptent leurs stratégies lorsque la situation ne leur est pas familière et varient leurs sources d’informations pour mettre à jour leur représentation de la situation. Enfin, nous avons montré que l’engagement de partenaires, même virtuels, modifient les stratégies de traitement de l’information des apprenants face à un dispositif de formation numérique. / This doctoral thesis aims at investigating the mechanisms playing a role in both human information behavior and situation awareness in order to develop pedagogical levers that could guide those behaviors. The work we present is part of an industrial project for the development of a serious game named 3DVOR, this game is targeting the risk management education within the operating room. First, we filmed 6 surgical operations that did not present any complications, then we created a simulation of a complex case of surgery to observe the informational behaviors of each member of the surgical team. Last, we elaborated a scenario allowing a learner to interact with virtual partners in order to observe the impact of their actions on the learners’ informational strategies. We analyzed the data in view of the literature on situation awareness and the Endsley’s model. Our results show that the information behaviors vary according to the expertise of the operators and the ambiguity of the situation. Experts adapt their strategies when the situation does not seem familiar and vary their sources of information to update their mental representation of the current situation. Finally, we showed that the engagement, even of virtual partners, modify the learners’ strategies of information processing while using a digital learning software.

Les systèmes complexes actuels (cockpits, contrôle de trafic aérien, pilotage de drones,...) amènent les opérateurs à gérer un ensemble de tâches évoluant dynamiquement dans le temps, et imposent des changements fréquents de situation au cours d'une même mission. Ces transitions entre contextes (provoqués par l'ajout, le retrait, l'interruption ou la récupération d'une tâche) peuvent induire une rupture de la conscience de situation (Situation Awareness) de l'opérateur. Dans le cadre de cette thèse, nous introduisons la méthodologie SAMANTA (Situation Awareness Modeling and ANalysis for Transition Amelioration). Celle-ci, mise en oeuvre par les experts en charge de l'analyse et de la conception de futurs systèmes, contribue à l'étude et la résolution des difficultés engendrées par de telles transitions. Le processus d'analyse des transitions proposé s'appuie sur une approche duale de description des transitions à travers la modélisation des tâches, et des éléments de situation associés à chacune d'entre elles (les contextes). Les caractéristiques des transitions ainsi obtenues sont utilisées par l'analyste afin d'émettre des recommandations sur les interfaces du système considéré. Les utilisateurs (opérateurs de systèmes et experts du domaine) sont intégrés aux étapes clés du processus de conception. Un outil dédié a été développé dans le cadre de cette thèse dans le but de faciliter la mise en oeuvre de la méthodologie SAMANTA par les analystes. Une application concrète à la conception de futurs systèmes de drone est présentée, développant l'étude de deux transitions spécifiques.

Les systèmes complexes actuels (cockpits, contrôle de trafic aérien, pilotage de drones,...) amènent les opérateurs à gérer un ensemble de tâches évoluant dynamiquement dans le temps, et imposent des changements fréquents de situation au cours d'une même mission. Ces transitions entre contextes (provoqués par l'ajout, le retrait, l'interruption ou la récupération d'une tâche) peuvent induire une rupture de la conscience de situation (Situation Awareness) de l'opérateur. Dans le cadre de cette thèse, nous introduisons la méthodologie SAMANTA (Situation Awareness Modeling and ANalysis for Transition Amelioration). Celle-ci, mise en oeuvre par les experts en charge de l'analyse et de la conception de futurs systèmes, contribue à l'étude et la résolution des difficultés engendrées par de telles transitions. Le processus d'analyse des transitions proposé s'appuie sur une approche duale de description des transitions à travers la modélisation des tâches, et des éléments de situation associés à chacune d'entre elles (les contextes). Les caractéristiques des transitions ainsi obtenues sont utilisées par l'analyste afin d'émettre des recommandations sur les interfaces du système considéré. Les utilisateurs (opérateurs de systèmes et experts du domaine) sont intégrés aux étapes clés du processus de conception. Un outil dédié a été développé dans le cadre de cette thèse dans le but de faciliter la mise en oeuvre de la méthodologie SAMANTA par les analystes. Une application concrète à la conception de futurs systèmes de drone est présentée, développant l'étude de deux transitions spécifiques.

Les clients des missions de drones sont demandeurs de systèmes d'information et de décision dans lesquels l'humain joue un rôle clé avec sa capacité unique d'analyse. Nous avons présenté comme première contribution un référentiel des niveaux d'automatisation qui interroge systématiquement sur le rôle de l'humain, et ce en rupture avec les référentiels précédents. Nous avons proposé comme seconde contribution un système décisionnel qui laisse les systèmes automatisés être incertains quant à l'ordre de certaines options de telle sorte que l'opérateur/superviseur puisse trancher. Afin d'augmenter le ratio nombre de drones / nombre d'humains, nous avons restreint l'usage de la décision humaine à l'arbitrage des conflits entre objectifs majeurs. Nous avons finalement expérimenté le sacrifice d'objectifs mineurs pour donner plus de temps à ces arbitrages. En conclusion nous rappellerons les mérites de nos deux contributions. LOA4 est un référentiel des niveaux d'autonomie centré sur l'humain, attentif à l'adaptation et compatible avec UML/PACT. Le système décisionnel que nous proposons est également centré sur l'humain et lui permet de jouer - même avec parcimonie et parfois au prix du sacrifice d'objectifs mineurs - un rôle clé basé sur sa capacité unique d'analyse. / Humans are still vital after years of automation and the clients of UAV mission systems want to preserve the human user’s key role because human knowledge, experience and judgment provide unique capability to analyze safety risks and to think ahead in uncertain and novel situations. Our first contribution is LOA4, a set of tree levels of automation in four dimensions to assess human involvement in partially automated systems. Previous sets focus too much attention on the computer rather than on the collaboration between the computer and its operator/supervisor. Unlike previous sets, our set systematically assess human involvement: is there none; some sometime; or some anytime. Its simplicity allow to recursively assess the situation of automation of a system based on the situation of automation of its parts. These information can be part of an IHM to increase the situation awareness in real time. Our second contribution is a mission system in which automated systems decide to delegate some decisions to humans. In order to increase the ratio number of “uavs / number of humans”, decisions that are untrusted to humans are mostly both ambivalent and critical. Some minor goals may be discarded to provide humans with more time to make their decisions. We implemented our approach and we report some results.

Ce travail de thèse est centré sur les effets de la distraction sur les performances de conduite. Lorsqu'il conduit, un conducteur doit non seulement être capable de maintenir le contrôle du véhicule, mais également être en mesure de prélever et de traiter les informations pertinentes provenant de l'environnement routier. Ces capacités peuvent être mises à défaut par l'introduction des systèmes de communications et d'informations dans les véhicules qui le placent en situation d'attention partagée et augmentent les sources de distraction. Ce travail a tenté de déterminer comment la population des jeunes conducteurs novices, caractérisée par un fort taux d'accidents (Clarke et al. 2005) et des compétences de conduite faiblement développées (Whelan at al. 2004) gère ces situations d'attention partagée. Deux expérimentations ont alimentés cette thèse. La première, en environnement réel de conduite, visait à analyser les effets de l'utilisation conjointe d'un système de navigation et d'un téléphone portable sur la qualité de la prise d'information et du traitement de l'information (au travers de différents paramètres comportementaux). La seconde, réalisée en laboratoire, était destinée à compléter les résultats de la première expérimentation en se concentrant exclusivement sur les modalités de recherche et de prise d'informations selon que le conducteur soit novice ou expérimenté. En fonction de l'expérience de conduite, les résultats offrent des conclusions mitigées en matière de traitement de l'information en situations d'attention partagée.

Cette thèse s'articule autour de la théorie de la conscience de la situation et son application dans le domaine de l'analyse de l'activité de conduite automobile. Après avoir examiné les aspects fondamentaux de la théorie de la Conscience de la Situation (chapitre 1), nous aborderons les travaux soviétiques réalisés des années 1940 aux années 1970 (chapitre 2) dans le champ de l'analyse de l'activité des opérateurs. Ce pont jeté nous permettra de rapprocher la théorie de la conscience de la situation avec des travaux plus classiques de la psychologie cognitive : le champ de la représentation mentale. Enfin, nous nous focaliserons sur l'application de ces concepts dans le domaine de la conduite automobile en abordant plus particulièrement trois points l'expérience de conduite, les ressources cognitives des conducteurs et les conducteurs seniors (chapitre 3). Suite à quoi nous présenterons notre propre protocole expérimental, OSCAR, mise en place afin d'analyser les représentations mentales du conducteur en fonction de différentes sources de variations (chapitre 4). Après une présentation détaillée des résultats obtenus par OSCAR, nous listerons les atouts et les limites de ce protocole, bases pour élaborer une seconde version, ICARE (chapitre 5). Une fois la comparaison des données recueillies par nos deux outils, nous nous attacherons à montrer en quoi ICARE permet d'analyser d'une manière originale les représentations mentales des conducteurs. Cela nous permettra de considérer le potentiel applicatif d'ICARE d'une part pour la recherche scientifique et d'autre part dans le domaine de la formation des conducteurs (chapitre 6 et 7) ; Sous la direction de : Monsieur Le Professeur Robert MARTIN Devant le jury composé de : - Mr Yves CROZET, Professeur, Université Lumière Lyon II (Président) - Mr Claude BASTIEN, Professeur, Université de Provence (Rapporteur) - Mr Guy BOY, HDR EURISCO Int., Toulouse (Rapporteur) - Mr Robert MARTIN, Professeur, Université Lumière Lyon II, - Mr Thierry BELLET, Ingénieur de Recherche, INRETS-LESCOT, Bron - Mr René CHOMETTE, PDG, CESR-ECF, Bron. Mots clés libres : psychologie cognitive, conduite automobile, conscience de la situation, représentation mentale, protocole expérimental, outil pour la formation des conducteurs, aide à la conduite.

Ce travail de thèse est centré sur les effets de la distraction sur les performances de conduite. Lorsqu’il conduit, un conducteur doit non seulement être capable de maintenir le contrôle du véhicule, mais également être en mesure de prélever et de traiter les informations pertinentes provenant de l’environnement routier. Ces capacités peuvent être mises à défaut par l’introduction des systèmes de communications et d’informations dans les véhicules qui le placent en situation d’attention partagée et augmentent les sources de distraction. Ce travail a tenté de déterminer comment la population des jeunes conducteurs novices, caractérisée par un fort taux d’accidents (Clarke et al. 2005) et des compétences de conduite faiblement développées (Whelan at al. 2004) gère ces situations d’attention partagée. Deux expérimentations ont alimentés cette thèse. La première, en environnement réel de conduite, visait à analyser les effets de l’utilisation conjointe d’un système de navigation et d’un téléphone portable sur la qualité de la prise d’information et du traitement de l’information (au travers de différents paramètres comportementaux). La seconde, réalisée en laboratoire, était destinée à compléter les résultats de la première expérimentation en se concentrant exclusivement sur les modalités de recherche et de prise d’informations selon que le conducteur soit novice ou expérimenté. En fonction de l’expérience de conduite, les résultats offrent des conclusions mitigées en matière de traitement de l’information en situations d’attention partagée. / This PhD thesis aims to study the distraction effects on driver performances. While driving, a driver must be able to maintain the vehicle control and also to process the relevant information from the road environment. These abilities can be impaired by the introduction of information and communication systems inside the car which put the driver in dual-task situation and increase the sources of distraction. This work tries to determine how the population of young novice drivers, characterized by a high crash rate (Clarke et al. 2005) and by poorly developed driving skills (Whelan et al. 2004) manages these situations of time sharing.Two experimentations were conducted. The first one, on real road, aims at analyzing the effects of simultaneously use of a navigation system and a mobile phone on the information processing (achieve by analyzing behavior parameters). The second one, in laboratory, aims at completing the first results, by focusing on modalities of research and handling information according to the drivers’ experience (novice or experienced). According to the driving experience, results are ambivalent in terms of information processing during divided attention situations.

L'activité de conduite automobile prend place dans un environnement dynamique en constante évolution. Le conducteur doit progresser sur la route au moyen de son véhicule, tout en interagissant adéquatement avec l'environnement et les autres usagers. Pour réaliser cette tâche, le conducteur doit percevoir son environnement, interpréter les événements pour se représenter correctement la situation de conduite, anticiper ces changements, et prendre des décisions a n d'engager des actions sur le véhicule lui permettant d'atteindre les buts qu'il se fixe à court et long terme. A cet égard, la complexité et la diversité des processus perceptifs, cognitifs et sensori-moteurs requis pour la conduite automobile font de cette activité un objet d'étude particulièrement riche pour les sciences de la cognition. Pour étudier l'activité du conducteur automobile a n de la comprendre, l'expliquer et peut-être la prédire, les sciences cognitives se dirigent vers la modélisation de la cognition humaine. Cette démarche permet une représentation et une description plus ou moins ne du système cognitif du conducteur automobile. Cependant, un modèle de la cognition ne permet qu'une description théorique. Grâce à son implémentation informatique, il devient possible de simuler les théories utilisées et déployer numériquement celles mises en jeu dans la modélisation cognitive. Ce travail de thèse s'articule autour de la modélisation cognitive du conducteur automobile, de son implémentation informatique sur une plateforme de développement virtuel et de sa simulation au sein de cette plateforme. Le modèle théorique que nous avons implémenté est COSMODRIVE, en développement au laboratoire du LESCOT à l'IFSTTAR, et la plateforme de développement accueillant le modèle est SiVIC, développée au LIVIC. C'est dans ce contexte que nous nous sommes engagés dans le développement computationnel et informatique du modèle COSMODRIVE, a n de pouvoir simuler l'activité perceptive et cognitive du conducteur automobile. Pour cela, nous nous sommes limités à certains processus cognitifs primordiaux, comme les fonctions stratégiques (plani cation d'itinéraires et réalisation de plans stratégiques), ou les fonctions perceptives (exploration et intégration de l'information visuelle), les fonctions cognitives tactiques (construction de représentations mentales, intégration perceptivo-cognitive de l'information, structuration des connaissances de conduite, etc.), ou encore les fonctions d'exécution d'actions (régulation courte par zones enveloppes ou par points de poursuite). Par l'implémentation informatique du modèle COSMODRIVE sur SiVIC, il devient possible d'incarner numériquement des théories cognitives et de les opérationnaliser pour formuler des hypothèses de recherche sous la forme de prédictions de performances que l'on pourra évaluer empiriquement auprès de conducteurs humains. Ces hypothèses formulées, nous avons conduit des expérimentations sur un simulateur de conduite que nous avons construit. A n d'éprouver notre modèle théorique et informatique du conducteur automobile, nous avons comparé les performances des conducteurs humains avec les prédictions issues de la simulation. Les résultats obtenus ont permis de valider cette approche et de con firmer l'intérêt de la simulation cognitive pour appréhender les activités mentales du conducteur automobile.

La réalité augmentée (Augmented Reality ou AR) peut potentiellement changer significativement l’expérience utilisateur. Au contraire les applications sur Smartphone ou tablette, les technologies d’affichage tête haute (Head Up Display ouHUD) aujourd’hui sont capables de projeter localement sur une zone du pare-brise ou globalement sur tout le pare-brise. Le conducteur peut alors percevoir l’information directement dans son champ de vision. Ce ne sont pas que les informations basiques comme vitesse ou navigation, le système peut aussi afficher des aides, des indicateurs qui guident l’attention du conducteur vers les dangers possibles. Il existe alors un chalenge scientifique qui est de concevoir des visualisations d’interactions qui s’adaptent en fonction de l’observation de la scène mais aussi en fonction de l’observation du conducteur. Dans le contexte des systèmes d’alerte de collision avec les piétons (Pedestrian Collision Warning System ou PCWS), l’efficacité de la détection du piéton a atteint un niveau élevé grâce à la technologie de vision. Pourtant, les systèmes d’alerte ne s’adaptent pas au conducteur et à la situation, ils deviennent alors une source de distraction et sont souvent négligés par le conducteur. Pour ces raisons, ce travail de thèse consiste à proposer un nouveau concept de PCWS avec l’AR (nommé the AR-PCW system). Premièrement, nous nous concentrons sur l’étude de la conscience de la situation (Situation Awareness ou SA) du conducteur lorsqu’il y a un piéton présent devant le véhicule. Nous proposons une approche expérimentale pour collecter les données qui représentent l’attention du conducteur vis-à-vis du piéton (Driver Awareness of Pedestrian ou DAP) et l’inattention du conducteur vis-à-vis de celui-ci (Driver Unawareness of Pedestrian ou DUP). Ensuite, les algorithmes basées sur les charactéristiques, les modèles d’apprentissage basés sur les modèles discriminants (ex, Support Vector Machine ou SVM) ou génératifs (Hidden Markov Model ou HMM) sont proposés pour estimer le DUP et le DAP. La décision de notre AR-PCW system est effectivement basée sur ce modèle. Deuxièmement, nous proposons les aides ARs pour améliorer le DAP après une étude de l’état de l’art sur les ARs dans le contexte de la conduite automobile. La boite englobante autour du piéton et le panneau d’alerte de danger sont utilisés. Finalement, nous étudions expérimentalement notre système AR-PCW en analysant les effets des aides AR sur le conducteur. Un simulateur de conduite est utilisé et la simulation d’une zone HUD dans la scène virtuelle sont proposés. Vingt-cinq conducteurs de 2 ans de permis de conduite ont participé à l’expérimentation. Les situations ambigües sont créées dans le scénario de conduite afin d’analyser le DAP. Le conducteur doit suivre un véhicule et les piétons apparaissent à différents moments. L’effet des aides AR sur le conducteur est analysé à travers ses performances à réaliser la tâche de poursuite et ses réactions qui engendrent le DAP. Les résultats objectifs et subjectifs montrent que les aides AR sont capables d’améliorer le DAP défini en trois niveaux : perception, vigilance et anticipation. Ce travail de thèse a été financé sur une bourse ministère et a été réalisé dans le cadre des projets FUI18 SERA et Labex MS2T qui sont financé par le Gouvernement Français, à travers le programme « Investissement pour l’avenir » géré par le ANR (Référence ANR-11-IDEX-0004-02). / Augmented reality (AR) can potentially change the driver’s user experience in significant ways. In contrast of the AR applications on smart phones or tablets, the Head-Up-Displays (HUD) technology based on a part or all wind-shield project information directly into the field of vision, so the driver does not have to look down at the instrument which maybe causes to the time-critical event misses. Until now, the HUD designers try to show not only basic information such as speed and navigation commands but also the aids and the annotations that help the driver to see potential dangers. However, what should be displayed and when it has to be displayed are still always the questions in critical driving context. In another context, the pedestrian safety becomes a serious society problem when half of traffic accidents around the world are among pedestrians and cyclists. Several advanced Pedestrian Collision Warning Systems (PCWS) have been proposed to detect pedestrians using the on-board sensors and to inform the driver of their presences. However, most of these systems do not adapt to the driver’s state and can become extremely distracting and annoying when they detect pedestrian. For those reasons, this thesis focuses on proposing a new concept for the PCWS using AR (so called the AR-PCW system). Firstly, for the «When» question, the display decision has to take into account the driver’s states and the critical situations. Therefore, we investigate the modelisation of the driver’s awareness of a pedestrian (DAP) and the driver’s unawareness of a pedestrian (DUP). In order to do that, an experimental approach is proposed to observe and to collect the driving data that present the DAP and the DUP. Then, the feature-based algorithms, the data-driven models based on the discriminative models (e.g. Support Vector Machine) or the generative models (e.g. Hidden Markov Model) are proposed to recognize the DAP and the DUP. Secondly, for the «What» question, our proposition is inspired by the state-of-the-art on the AR in the driving context. The dynamic bounding-box surrounding the pedestrian and the static danger panel are used as the visual aids. Finally, in this thesis, we study experimentally the benefits and the costs of the proposed AR-PCW system and the effects of the aids on the driver. A fixed-based driving simulator is used. A limited display zone on screen is proposed to simulate the HUD. Twenty five healthy middle-aged licensed drivers in ambiguous driving scenarios are explored. Indeed, the heading-car following is used as the main driving task whereas twenty three pedestrians appear in the circuit at different moment and with different behaviors. The car-follow task performance and the awareness of pedestrian are then accessed through the driver actions. The objective results as well as the subjective results show that the visual aids can enhance the driver’s awareness of a pedestrian which is defined with three levels: perception, vigilance and anticipation. This work has been funded by a Ministry scholarship and was carried out in the framework of the FUI18 SERA project, and the Labex MS2T which is funded by the French Government, through the program ”Investments for the future” managed by the National Agency for Research (Reference ANR-11-IDEX-0004-02).