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Des niveaux d'automatisation élevés sont intégrés dans les environnements critiques pour satisfaire la demande croissante de systèmes plus sûrs. Cette philosophie déplace les opérateurs vers un rôle de supervision et crée de nouveaux problèmes appelés problèmes de performance liés à la sortie de boucle (SDB). L'émergence de pensées sans lien avec ici et maintenant, ou divagation attentionnelle (DA), pourrait affecter les opérateurs dans des situations de SDB par le biais du découplage perceptuel induit. Cette thèse a étudié la dynamique de la DA dans les situations de SDB et son influence sur les opérateurs. Nous avons en premier lieu examiné les preuves dans la littérature pointant vers un lien entre le problème de performance lié à la SDB et la DA. Nous avons complété cette analyse théorique en rapportant la tendance des pilotes (collectée avec un questionnaire) à rencontrer plus de problèmes avec leur pilote automatique pour ceux ayant une plus grande propension au MW non lié à la tâche. Nous avons ensuite mené trois expériences dans des conditions de SDB. Nous avons observé une augmentation significative des épisodes de DA dans les situations de SDB quelle que soit la fiabilité du système, par rapport aux conditions manuelles. Les épisodes de DA étaient également accompagnés d'un découplage perceptuel vis-à-vis de la tâche créé par la DA non lié à la tâche. Ce découplage était visible sur des rapports de demande mentale ainsi que les signaux oculométriques et encéphalographiques. Dans l'ensemble, nos résultats démontrent la possibilité d'utiliser des marqueurs physiologiques de la DA dans des environnements de SDB complexes. Nous discutons de nouvelles perspectives d'utilisation des marqueurs de la DA pour caractériser les problèmes de performance liés à la SDB. Sans vouloir arrêter aveuglément l'émergence de la DA, qui pourrait être bénéfique pour les opérateurs, les recherches futures devraient se concentrer sur la conception de systèmes capables de gérer la DA et d'identifier les informations nécessaires pour faciliter la rentrée de l'opérateur dans la boucle de contrôle. / Higher levels of automation are progressively integrated in critical environments to satisfy the increasing demand for safer systems. Such philosophy moves operators to a supervisory role, also called out-of-the-loop (OOTL) situations. Unfortunately, OOTL situations also create a new kind of human-machine interaction issues, called OOTL performance problem. The dramatic consequences of OOTL performance problem stress the need to identify which mechanisms could influence their appearance. The emergence of thoughts unrelated to the here and now, labeled mind wandering (MW), could affect operators in OOTL situations through the perceptual decoupling induced. This thesis investigates MW dynamic in OOTL situations and its influence on operators. We firstly reviewed the evidences in the literature underlining a link between OOTL performance problem and MW. We completed theoretical insights by reporting pilots' tendency (collected with a questionnaire) to encounter more problems with autopilots when experiencing more task-unrelated MW. Then, we conducted three experiments in OOTL conditions using an obstacle avoidance task. With non-expert population and sessions longer than 45 minutes, we observed a significant increase of MW in OOTL situations compared to manual conditions, independently of system reliability. MW episodes were also accompanied by a perceptual decoupling from the task induced by task-unrelated MW. This decoupling was visible on reports of mental demand as well as oculometric (pupil size, blinks) and encephalographic (N1 component, alpha activity) signals. Overall, our results demonstrate the possibility to use physiological markers of MW in complex OOTL environments. We discuss new perspectives towards the use of MW markers to characterize the OOTL performance problem. Instead of blindly stopping MW episodes, which could have benefits for operators, future research should focus on designing systems able to cope with MW and identify information needed to facilitate the reentry in the control loop when needed.

Les mutations technologiques à l’œuvre dans les systèmes aéronautiques ont profondément modifié les interactions entre l’homme et la machine. Au fil de cette évolution, les opérateurs se sont retrouvés face à des systèmes de plus en plus complexes, de plus en plus automatisés et de plus en plus opaques. De nombreuses tragédies montrent à quel point la supervision des systèmes par des opérateurs humains reste un problème sensible. En particulier, de nombreuses évidences montrent que l’automatisation a eu tendance à éloigner l’opérateur de la boucle de contrôle des systèmes, créant un phénomène dit de sortie de boucle (OOL). Ce phénomène se caractérise notamment par une diminution de la conscience de la situation et de la vigilance de l’opérateur, ainsi qu’une complaisance et une sur-confiance dans les automatismes. Ces difficultés déclenchent notamment une baisse des performances de l’opérateur qui n’est plus capable de détecter les erreurs du système et de reprendre la main si nécessaire. La caractérisation de l’OOL est donc un enjeux majeur des interactions homme-système et de notre société en constante évolution. Malgré plusieurs décennies de recherche, l’OOL reste difficile à caractériser, et plus encore à anticiper. Nous avons dans cette thèse utilisé les théories issues des neurosciences, notamment sur le processus de détection d’erreurs, afin de progresser sur notre compréhension de ce phénomène dans le but de développer des outils de mesure physiologique permettant de caractériser l’état de sortie de boucle lors d’interactions avec des systèmes écologiques. En particulier, l’objectif de cette thèse était de caractériser l’OOL à travers l’activité électroencéphalographique (EEG) dans le but d’identifier des marqueurs et/ou précurseurs de la dégradation du processus de supervision du système. Nous avons dans un premier temps évalué ce processus de détection d’erreurs dans des conditions standards de laboratoire plus ou moins complexes. Deux études en EEG nous ont d’abord permis : (i) de montrer qu’une activité cérébrale associée à ce processus cognitif se met en place dans les régions fronto-centrales à la fois lors de la détection de nos propres erreurs (ERN-Pe et FRN-P300) et lors de la détection des erreurs d’un agent que l’on supervise, (complexe N2-P3) et (ii) que la complexité de la tâche évaluée peut dégrader cette activité cérébrale. Puis nous avons mené une autre étude portant sur une tâche plus écologique et se rapprochant des conditions de supervision courantes d’opérateurs dans l’aéronautique. Au travers de techniques de traitement du signal EEG particulières (e.g., analyse temps-fréquence essai par essai), cette étude a mis en évidence : (i) l’existence d’une activité spectrale θ dans les régions fronto-centrales qui peut être assimilée aux activités mesurées en condition de laboratoire, (ii) une diminution de l’activité cérébrale associée à la détection des décisions du système au cours de la tâche, et (iii) une diminution spécifique de cette activité pour les erreurs. Dans cette thèse, plusieurs mesures et analyses statistiques de l’activité EEG ont été adaptées afin de considérer les contraintes des tâches écologiques. Les perspectives de cette thèse ouvrent sur une étude en cours dont le but est de mettre en évidence la dégradation de l’activité de supervision des systèmes lors de la sortie de boucle, ce qui permettrait d’identifier des marqueurs précis de ce phénomène permettant ainsi de le détecter, voire même, de l’anticiper. / The ongoing technological mutations occuring in aeronautics have profoundly changed the interactions between men and machines. Systems are more and more complex, automated and opaque. Several tragedies have reminded us that the supervision of those systems by human operators is still a challenge. Particularly, evidences have been made that automation has driven the operators away from the control loop of the system thus creating an out-of-the-loop phenomenon (OOL). This phenomenon is characterized by a decrease in situation awareness and vigilance, but also complacency and over-reliance towards automated systems. These difficulties have been shown to result in a degradation of the operator’s performances. Thus, the OOL phenomenon is a major issue of today’s society to improve human-machine interactions. Even though it has been studied for several decades, the OOL is still difficult to characterize, and even more to predict. The aim of this thesis is to define how cognitive neurosciences theories, such as the performance monitoring activity, can be used in order to better characterize the OOL phenomenon and the operator’s state, particularly through physiological measures. Consequently, we have used electroencephalographic activity (EEG) to try and identify markers and/or precursors of the supervision activity during system monitoring. In a first step we evaluated the error detection or performance monitoring activity through standard laboratory tasks, with varying levels of difficulty. We performed two EEG studies allowing us to show that : (i) the performance monitoring activity emerges both for our own errors detection but also during another agent supervision, may it be a human agent or an automated system, and (ii) the performance monitoring activity is significantly decreased by increasing task difficulty. These results led us to develop another experiment to assess the brain activity associated with system supervision in an ecological environment, resembling everydaylife aeronautical system monitoring. Thanks to adapted signal processing techniques (e.g. trial-by-trial time-frequency decomposition), we were able to show that there is : (i) a fronto-central θ activité time-locked to the system’s decision similar to the one obtained in laboratory condition, (ii) a decrease in overall supervision activity time-locked to the system’s decision, and (iii) a specific decrease of monitoring activity for errors. In this thesis, several EEG measures have been used in order to adapt to the context at hand. As a perspective, we have developped a final study aiming at defining the evolution of the monitoring activity during the OOL. Finding markers of this degradation would allow to monitor its emersion, and even better, predict it.

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