Ce travail s’inscrit dans le cadre général de l’assistance à la conduite pour les personnes handicapés moteurs et propose d’aborder cette problématique de façon expérimentale sur un système réel, en mettant l’accent sur l’optimisation de la coopération humain – machine. L’objectif de cette thèse consiste plus particulièrement en l’implémentation et l’évaluation d’une interface haptique de commande de fauteuil roulant électrique destinée à des personnes handicapés moteurs. Les interfaces utilisées sont un joystick à retour d’effort sidewinder2™ et un effecteur haptique à stylet phantom omni™. L’utilisation d’un capteur télémétrique laser sur le fauteuil permet en outre de recueillir des informations sur l’environnement du fauteuil. Nous utilisons des mesures ergonomiques d’efficacité telles que le temps d’exécution des tâches, les erreurs et la charge de travail afin d’établir des critères d’évaluation de notre système. La méthodologie suivie et les aspects pratiques de cette étude sont exposés, justifiés et discutés en se basant notamment sur les travaux de recherche décrits dans la littérature portant sur l’utilisation des interfaces haptiques pour le contrôle de systèmes robotisés et/ou téléopérés. L’évaluation du système ainsi conçu vise à comparer les performances de conduite d’un fauteuil roulant commandé par un effecteur à retour d’effort par rapport à une commande classique. Les résultats obtenus sont analysés statistiquement. Une étude théorique est également proposée basée sur la modélisation du système pilote-véhicule et des conclusions sur la validité et la pertinence des modèles testés sont présentées / This work lies within the general framework of the driving assistance for people with motor disabilities and proposes to address this issue experimentally on a real system, with emphasis on the optimization of the human–machine cooperation. The objective of this thesis consists especially in the implementation and the assessment of a haptic interface for the control of a powered wheelchair for people with motor disabilities. The interfaces used for this purpose are the force feedback joystick sidewinder2™ and the haptic device phantom omni™. Moreover, the use of a laser range sensor allows gathering information about the wheelchair environment. We use ergonomic efficiency measures such as the tasks execution time, the errors and the workload in order to establish criteria for evaluating our system. The methodology and the practical aspects of this study are exposed, justified and discussed based particularly on the research work described in the literature about the use of haptic interfaces to control robotic and / or remote controlled systems. The evaluation of such a system aims to compare the driving performance of a powered wheelchair controlled by a force feedback device compared to a conventional control. The results are statistically analyzed. A theoretical study is also proposed based on the modelling of the driver-vehicle system and conclusions about the validity and relevance of the tested models are presented

Ce travail est une contribution à l'étude du système homme-machine, dont l'avènement est le postulat que l'homme est, d'une certaine manière, contraint de cohabiter avec un partenaire trop discipliné et trop algorithmique. L'homme et la machine sont côte à côte pour gérer et contrôler les systèmes que l'on utilise dans la vie de chaque jour, surtout des systèmes de grandes complexités, où l'état d'esprit "homme-machine" est bien clair. Les activités de l'homme, montrant son rôle et sa place, se matérialisent soit par l'accomplissement du travail que le système technique (machine) est incapable d'accomplir, soit par la surveillance, la récupération d'aléas venant du système technique. A partir de cela, la relation homme-machine devient plus qu'un partenariat, elle se transforme en couple (homme, machine) indissociable, dont la forme et l'organisation sont les garant du bon déroulement du processus de production. Ainsi, l'automatisation des processus industriels devient une sorte de réunion harmonieuse de deux entités pour le bien de tous. Par l'automatisation harmonieuse on entend concevoir des systèmes de plus en plus socio-technique, là où l'homme à sa vrai place. Notre travail s'articule autour d'une vision de conception adéquate des systèmes, homme-machine, qui répond aux exigences d'optimisation des performances de tels systèmes, car la prise en compte de l'élément humain dès l'étape de la conception renforce la stabilité et l'optimalité de toutes les fonctions du système. Cette vision est matérialisée par la proposition d'une méthodologie globale pour la conception et renforcée par une approche de spécification des actions. L'application de cette vision trouve sa place dans le cadre de l'étude de la conception et de la mise en oeuvre d'une cellule de désassemblage en tant qu'un système homme-machine coopératif. Dans ce cadre, deux aspects principaux ont été développés : le premier est le système d'aide à la supervision et à la surveillance, en montrant qu'une construction d'outil d'aide à la conduite passe par l'analyse de comportement décisionnel de l'homme et par la spécification technique et ergonomique des actions du système de supervision et de surveillance. Le deuxième aspect est l'étude du processus d'exécution des tâches robotisées ou partagées avec un robot. Ce travail se justifie par un certain besoin de connaître davantage et de connaître différemment dans un esprit de mieux faire.

Nous définissons la résilience comme la capacité d'un Système Homme-Machine (SHM) à s'adapter positivement face à des situations critiques engendrées par des évènements sans précédent dont la fréquence d'occurrence est invraisemblable et dont les conséquences sur le système sont critiques voire catastrophiques.Nous présentons d'abord un état de l'art reposant sur le concept de résilience que nous positionnons par rapport aux approches classiques de la sureté de fonctionnement pour l'évaluation et la gestion des risques dans les SHM. Nous présentons ensuite des méthodes et des outils d'aide à la réaction et à la récupération des systèmes face à l'imprévu. Nous nous intéresserons également à l'apport des techniques d'apprentissage itératif pour le management de la résilience des SHM. Nous proposons alors une méthode d'évaluation de la résilience basée sur un couple d'indicateurs multicritères. Un estimateur reposant sur un réseau de neurones à apprentissage renforcé est proposé pour évaluer les indicateurs derésilience non mesurables ''en ligne''. Pour fiabiliser l'estimation, nous proposons unapprentissage itératif associé soit à un renforcement des paramètres d'estimation, soit à un renforcement de la base de connaissances, soit les deux simultanément.Nous appliquons nos propositions lors d'une simulation de vol d'un Groupe de Ravitaillement en Vol, composé d'un équipage tournant de 4 personnes. L'analyse des résultats expérimentaux montre la pertinence de nos contributions. Certaines perspectives de recherche sont ensuite abordées notamment l'extension de l'étude aux événements de criticité moindre et dont on disposerait d'une base de connaissances " experte ".

Nous définissons la résilience comme la capacité d’un Système Homme-Machine (SHM) à s’adapter positivement face à des situations critiques engendrées par des évènements sans précédent dont la fréquence d’occurrence est invraisemblable et dont les conséquences sur le système sont critiques voire catastrophiques.Nous présentons d’abord un état de l’art reposant sur le concept de résilience que nous positionnons par rapport aux approches classiques de la sureté de fonctionnement pour l’évaluation et la gestion des risques dans les SHM. Nous présentons ensuite des méthodes et des outils d’aide à la réaction et à la récupération des systèmes face à l’imprévu. Nous nous intéresserons également à l’apport des techniques d’apprentissage itératif pour le management de la résilience des SHM. Nous proposons alors une méthode d’évaluation de la résilience basée sur un couple d’indicateurs multicritères. Un estimateur reposant sur un réseau de neurones à apprentissage renforcé est proposé pour évaluer les indicateurs derésilience non mesurables ‘‘en ligne’’. Pour fiabiliser l’estimation, nous proposons unapprentissage itératif associé soit à un renforcement des paramètres d’estimation, soit à un renforcement de la base de connaissances, soit les deux simultanément.Nous appliquons nos propositions lors d’une simulation de vol d’un Groupe de Ravitaillement en Vol, composé d’un équipage tournant de 4 personnes. L’analyse des résultats expérimentaux montre la pertinence de nos contributions. Certaines perspectives de recherche sont ensuite abordées notamment l’extension de l’étude aux événements de criticité moindre et dont on disposerait d’une base de connaissances « experte ». / We define resilience as the ability of a Human-Machine System (HMS) to adapt itself positively facing critical situations resulting from the unprecedented events whose frequency of occurrence is unlikely and the consequences on the system are critical even catastrophic. We first present a state of the art based on the concept of resilience that we position compared to classic dependability approaches for HMS risk evaluation and management. We then present methods and support tools for the reaction and the recovery of systems facing the unexpected. We also detail the contribution of iterative learning techniques for the management of the SHM resilience. We propose then a method for resilience assessment based on a couple of multi-criteria indicators. An estimator based on a neural network with reinforced learning process is proposed to evaluate the ''online'' not measurable resilience indicators. For reliable estimation, we propose an iterative learning associated with a estimation parameters reinforcement process, or knowledge base reinforcement process, or both simultaneously. We apply our proposals during a flight simulation of a ‘‘Groupe de Ravitaillement en Vol’’, consisting of a rotating crew of 4 persons. The analysis of experimental results shows the effectiveness of our contributions. Some research perspectives are then discussed in particular the extension of the study to less critical events which would provide an "expert" knowledge base.

Le Conseil Régional de Champagne-Ardenne porte un intérêt particulier aux formations supérieures professionnalisantes en sciences et techniques. Dans ce cadre, il a été proposé de permettre l'utilisation de Systèmes Automatisés de Production (SAP) par des apprenants. Les travaux présentés dans cette thèse portent sur la conception de la commande de systèmes manufacturiers par des automaticiens au niveau de compétence variable, pouvant aller du novice jusqu'à l'expert. L'utilisation de Parties Opératives (PO) réelles, en particulier de façon distante à travers le web, par des automaticiens, qui sont tous susceptibles de commettre des erreurs de conception, soulève des problèmes originaux à la fois théoriques de validation et de vérification de la commande mais aussi de prise en compte du concepteur. Ces problèmes, que l'on retrouve dans l'industrie, nécessitent une approche de l'automatisation prenant en compte la composante humaine (expert - formateur, concepteur - apprenant) du Système Homme-Machine. Les contributions développées dans cette thèse portent sur l'adaptation du système aux savoirs du concepteur et la sécurisation de l'installation. Concernant le premier point, il est mis en évidence l'importance pédagogique de travailler sur toute l'installation plutôt que sur une partie. Une approche méthodologique est proposée, et consiste à décomposer fonctionnellement la PO en vue de pouvoir adapter le cahier des charges au concepteur, tout en conservant la vision globale du système manufacturier. Concernant le second point, deux approches sont envisagées pour assurer la sécurité de la Partie Opérative. La première, hors ligne, repose sur des travaux antérieurs de l'équipe « SED et Supervision du CReSTIC » dans le domaine de la synthèse par Ramadge et Wonham pour l'obtention d'une commande sûre, robuste et sans blocage. Celle-ci a été adaptée pour assurer d'une part que les modèles de PO et de spécifications sont justes, et d'autre part que la commande proposée respecte le comportement maximum admissible par le système, compte tenu des spécifications du cahier des charges. La seconde approche, en ligne, utilise un filtre, qui consiste à n'envoyer vers la PO que des commandes validées. La principale difficulté de ce type d'approche réside dans les spécifications du filtre, et dans son implémentation. Une structure de filtre à 2 niveaux, ayant des capacités explicatives pour le concepteur, est proposée. Le premier appelé « filtre de validation système » permet de sécuriser la PO et repose sur la spécification de contraintes logiques. Le second appelé « filtre de validation fonctionnel » permet de vérifier le respect du cahier des charges et n'a pas été développé dans cette thèse. Une erreur au niveau de la définition des spécifications de sécurité entraîne une validation de la commande erronée et met ainsi le système en danger. L'approche proposée pour s'assurer que les contraintes sont correctement définies, consiste à vérifier formellement, avant l'implémentation dans l'Automate Programmable Industriel (API), au moyen du model-checker UPPAAL, qu'elles sont nécessaires et suffisantes pour éviter toutes situations de détérioration de l'installation (éléments de PO et produit), et cela en considérant la commande la plus permissive possible. Le filtre de validation système revient à garantir un filtrage « robuste » sécuritaire des commandes. Deux applications du filtre « robuste » de commande sont présentées et permettent de montrer d'une part l'intérêt des concepts, méthodes et outils proposés et d'autre part leur applicabilité. La première concerne un système réel de conditionnement de médicaments. L'approche de sécurisation de la PO et d'adaptation au concepteur est mise en ?uvre. Celle-ci a été testée et son intérêt montré au moyen d'expérimentations menées avec des automaticiens novices et plus expérimentés. La seconde application concerne une simulation de magasin automatisé. Le filtre est utilisé dans ce cas, non pas pour éviter les détériorations, mais pour apporter des explications. Ces exemples mettent aussi en évidence les limites et les perspectives de ces travaux.

Le projet de recherche présenté dans cette thèse a été réalisé avec la collaboration de la Direction de l'Ingénierie SNCF et le CReSTIC de l'Université de Reims Champagne-Ardenne (URCA). L'objectif de ce projet est de contribuer à l'amélioration des études de conception du contrôle/commande des projets d'électrification menées par les chargés d'études. Ce projet doit répondre à des objectifs humains, économiques et techniques exprimés par la SNCF, notamment appliqué au domaine des Equipements d'Alimentation des Lignes Electrifiées (EALE). Pour répondre à ces problématiques, une méthodologie pour les études d'automatisation est proposée. Elle intègre deux axes de recherche. Le premier axe est la génération automatique de livrables (codes, documents, schémas…). Celle-ci repose nécessairement sur une standardisation et une modélisation du « métier ». L'approche MDD (Model Driven Development) du génie logiciel et l'approche DSM (Domain Specific Modeling), apporte des éléments de solution reposant sur l'utilisation de « templates métiers ». Toutefois, il est fondamental de générer des livrables de qualité et du code API (Automates Programmables Industriels) sûr de fonctionnement. Le second axe de recherche s'intéresse à la commande sûre de fonctionnement. Trois approches de synthèse de la commande (la Supervisory Control Theory (SCT), la synthèse algébrique, la commande par contraintes logiques) permettant a priori de répondre à ces objectifs de sûreté sont présentées et discutées. La commande par contraintes logiques présente l'avantage majeur de séparer la sécurité (qui est vérifiée formellement hors ligne par model-checking) et le fonctionnel, et de pouvoir être utilisée avec des programmes API existants, ne remettant pas ainsi en cause la méthodologie de travail des chargés d'études. / The research project presented in this thesis has been realized with the collaboration of the Engineer Department of the SNCF and the CReSTIC of the University of Reims Champagne-Ardenne. The goal of this project is to contribute to the improvement of the control studies of the electrification projects realized by the design engineers. This project must meet human, economic and technical aims expressed by the SNCF applied to the field of the Power Supply Equipments of the Electrified Lines (EALE in french). To answer these problems, a methodology for the automation studies is proposed. It integrates two research orientations were studied. The first axis is the automatic generation the deliverables (codes, documents, diagrams…). This axis is based on standardization and modeling of the “work”. MDD (Model Driven Development) and DSM (Domain Specific Modeling) approaches, brings suggestions for solution based on the use of “work templates”. However, it is fundamental to generate quality deliverables and safe PLC (Programmable Logic Controller) code. The second research orientation is interested in safe control. Three approaches of control synthesis (Supervisory Control Theory (SCT), the algebraic synthesis, the control by logical constraints) permitting a priori to reach these aims of safety are presented and discussed. The major advantage of the control by logical constraints is to separate the safety (which is checked formally off line by model-checking) and the functional parts. It can be used with existing PLC programs, which doesn't change thus the working methodology of the design engineers.

Ce travail de thèse a pour contexte la surveillance des systèmes homme-machine, où l'opérateur est le conducteur d'un système de transport ferroviaire. Notre objectif est d'améliorer la sécurité du système en prévenant et en évitant les facteurs pouvant augmenter le risque d'une erreur humaine. Deux verrous majeurs sont identifiés : l'aspect caractérisation, ou comment déterminer les phases indicatives et discernables de l'activité de conduite et l'aspect représentation, ou comment décrire et codifier les actions de conduite de l'opérateur et leurs répercussions sur le système ferroviaire dans un formalisme mathématique permettant une analyse sans équivoque. Pour solutionner ces verrous, nous proposons en premier lieu un modèle comportemental de l'opérateur humain permettant de représenter son comportement de contrôle en temps continu. Afin de tenir compte des différences inter- et intra-individuelles des opérateurs humains, ainsi des changements de situations, nous proposons une transformation du modèle comportemental initialement présenté, dans un nouveau espace de représentation. Cette transformation est basée sur la théorie des chaines cachées de Markov, et sur l'adaptation d'une technique particulière de reconnaissance de formes. Par la suite, nous définissons une modélisation comportementale en temps discret de l'opérateur humain, permettant en même temps de représenter ses actions et de tenir compte des erreurs et des évènements inattendus dans l'environnement de travail. Cette modélisation est inspirée des modèles cognitifs d’opérateur. Les deux aspects permettent d'interpréter les observables par rapport à des situations de référence. Afin de caractériser l'état global de l'opérateur humain, différentes informations sont prises en considération ; ces informations sont hétérogènes et entachées d’incertitudes de mesure, nécessitant une procédure de fusion de données robuste qui est effectuée à l'aide d'un réseau Bayésien. Au final, les méthodologies de modélisation et de fusion proposées sont exploitées pour la conception d'un système de vigilance fiable et non-intrusif. Ce système permet d'interpréter les comportements de conduite et de détecter les états à risque du conducteur (ex. l'hypovigilance). L'étude théorique a été testée en simulation pour vérifier sa validité. Puis, une étude de faisabilité a été menée sur des données expérimentales obtenues lors des expériences sur la plate-forme de conduite ferroviaire COR&GEST du laboratoire LAMIH. Ces résultats ont permis de planifier et de mettre en place les expérimentations à mener sur le futur simulateur de conduite multimodal "PSCHITT-PMR". / The scope of the thesis is the monitoring of human-machine systems, where the operator is the driver of rail-based transportation system. Our objective is to improve the security of the system preventing and avoiding factors that increase the risk of a human error. Two major problems are identified: characterization, or how to determine indicative and discernible phases of driver's activity and representation, or how to describe and codify driver's actions and its repercussions on the rail system in a mathematical formalism that will allow unequivocal analysis. In order to bring a solution to those problems, we propose, first-of-all, a behavioral model of the human operator representing his control behavior in continuous-time. To consider inter- and intra-individual differences of human operators and situation changes, we propose a transformation of the latter behavioral model in a new space of representation. This transformation is based on the theory of Hidden Markov Models, and on an adaptation of a special pattern recognition technique. Then, we propose a discrete-time behavioral modeling of the human operator, which represents his actions and takes account of errors and unexpected events in work environment. This model is inspired by cognitive models of human operators. These two aspects allow us to interpret observables with respect to reference situations in order to characterize the overall human operator state. Different information sources are considered; as a result the data are heterogeneous and subject to measuring uncertainties, needing a robust data fusion approach that is performed using a Bayesian Network. Finally, the proposed modeling and fusion methodologies are used to design a reliable and unintrusive vigilance system. This system can interpret driving behaviors and to detect driver’s risky states in order to prevent drowsiness. The theoretical study was tested in simulation to check the validity. Then, a feasibility study was conducted using data obtained during experiments on the LAMIH laboratory railroad platform “COR&GEST”. These results allowed us to plan and implement experiments to be conducted on the future multimodal driving simulator “PSCHITT-PMR”.

Confidentiel / Confidential