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DCSD - Commande des systèmes et dynamique du vol

Les facteurs humains

L’Onera est un établissement de recherche reconnu et sollicité pour sa capacité à modéliser des données informes et à les exprimer selon des formalismes rigoureux. Il est ainsi amené à étudier diverses composantes de la représentation de la connaissance et leurs traitements, y compris lorsqu’il s’agit d’informations impliquant directement ou indirectement des êtres humains.

Dans le domaine des Facteurs Humains [1]  (FH) la démarche utilisée fait naturellement appel aux mathématiques et aux techniques informatiques, mais elle passe aussi nécessairement par une exploitation des méthodes et des modèles des sciences humaines, dont en particulier la psychologie et l'ergonomie cognitives. Ainsi l’Onera a été amené à développer des coopérations naturelles avec les laboratoires et organismes spécialisés dans ces disciplines. Héritée en première approximation de l'intelligence artificielle, la démarche de l'Onera consiste donc à concevoir ou à adapter les techniques de représentations de la connaissance aux données issues des observations en offrant des modèles génériques et implémentables de résolution.

Les études « Facteurs Humains » traitées à l’Onera ont pour objectif direct et principal l’amélioration conjointe de la sécurité et des performances des systèmes aérospatiaux. Les activités qui y sont menées ont pour objet d’une part l’élaboration de modèles, de méthodes et de moyens expérimentaux génériques pour la représentation, et d’autre part l’analyse de l’activité humaine dans le domaine de l’aéronautique civile ou militaire, avec pour principale finalité le suivi et l’assistance au pilotage.
L'approche Formelle des FH à l'Onera s'appuie donc sur une définition et un postulat :

Définition : relèvent des facteurs humains les études qui utilisent ou génèrent directement desdonnées issues d'observations effectives de comportements humains.

Postulat : dans la conception des systèmes aérospatiaux chaque opérateur humain est considéré selon une approche systémique (Entrées / Traitements / Sorties) en rationnalisant les 4 dimensions d'études :
Perception / Raisonnement - Mémoire / Action
C'est le postulat de travail : "système humain".



Bien entendu, ce "système humain" n'est pas comme les autres (d'où l'intérêt des études FH) et il faut bien comprendre les caractéristiques fondamentales suivantes :

Contraintes particulières :
C1) le ``Bureau d'Étude'' du "Système Humain" est inconnu ;
C2) son fonctionnement est généralement difficilement observable ;
C3) il est souvent irrationnel en actes ;
C4) il est souvent "rationnel a posteriori".

Avantages particuliers du "Système Humain" :
A1) sa biologie et ses contraintes sont quasi-immuables dans le temps et l'espace ;
A2) il peut s'exprimer et s'expliquer.

La démarche théorique suivie à l'Onera consiste alors à développer des modèles partiels et limités des fonctions relevant d'une ou plusieurs composants P / R-M / A du "système-H".
Les modèles sont principalement fondés sur des formalismes mathématiques relevant de l'algèbre et de la logique, une des caractéristiques étant de conserver une biunivocité des modèles de représentation des connaissances.

D’un point de vue méthodologique la démarche de l'équipe FH repose donc sur une boucle fermée :

  • problème aéronautique identifié ;
  • définition et utilisation des modèles d'activité (+ analyse des événements) ;
  • conception des pro- et contre-mesures ;
  • expérimentations ;
  • solutions en termes d’équipements, de procédures ou de formation, telle que décrite dans la figure ci-après :


Le retour d'expérience

 

Les études centrées sur le retour d'expérience visent à utiliser les données disponibles sur l'activité réelle afin d'en extraire des informations, tant sur la façon de faire des opérateurs que sur les situations critiques pour la sécurité. L'ensemble des composantes du système (le pilote, le navigateur, le contrôleur aérien, l'avion, les interfaces...) est ici considéré afin de comprendre les différences entre ce qui se passe –l’activité réelle- et ce qui est attendu –l’activité prescrite ou le savoir–faire commun. Un des enjeux est alors de savoir modéliser de tels écarts entre des comportements effectifs et les procédures abstraites en mettant en évidence les  ajustements positifs à promouvoir et les écarts à éviter. Deux sources complémentaires d'information sont disponibles : les paramètres enregistrés pendant les vols qui permettent de tracer ce qui s'est objectivement passé et les rapports des opérateurs (rapports d'incidents, audit en ligne...) qui amènent des informations sur ce qui s'est passé mais aussi sur le pourquoi cela s'est produit.

L'Onera s'attache à exploiter ces deux sources de données, notamment à travers les projets REX-ASV (paramètres de vol sur avion militaire) et UNAMED (paramètres de vol et rapports d'audit sur avion civils) ainsi que par sa coopération directe avec la NASA (rapports d'incidents civils).

Projet REX-ASV

L'Onera travaille sur un programme de retour d'expérience en collaboration avec l'Armée de l'Air, l'Imassa (Institut de Médecine Aérospatiale du Service de Santé des Armées) et la société SynRjy.

Le but recherché à travers ce programme de retour d'expérience est de mettre en évidence les mécanismes incidentiels pouvant conduire à des situations de vol dégradées ou potentiellement dangereuses.

Ce projet, commencé en 1996 sous le nom de REX-FH[2], a permis :

  • de faire un état de l'art (méthodes et systèmes existants pour le retour d'expérience) et un recensement des besoins ;
  • de définir une méthode d'analyse systématique de l'activité, à partir des données recueillies en simulation et avec la participation des équipages opérationnels.
  • de  mener une campagne de recueil de données de vol réels (Mirage 2000D) et de les analyser grâce au logiciel de démonstration DemoREX développé par l'Onera. Ceci a permis de consolider les modèles d'activité de pilotage utilisés et de développer les algorithmes de traitement des paramètres. Sur demande de l'Armée de l'Air, une campagne de recueil d'expertise et de données de vol a aussi été réalisée pour des avions de transport militaire (CASA). La faisabilité d’une démarche d’analyse des vols contribuant au retour d’expérience orienté sur les facteurs humains a ainsi pu être établie.

Faisant suite à REX-FH le projet REX-ASV (Retour d’Expérience et Analyse Systématique des Vols) démarre en 2006 et vise à mettre en place un système d’analyse systématique des vols (ASV) pour les besoins et avec le soutien de l’Armée de l’Air. Ce projet sur une durée de trois ans vise à finaliser les spécifications d’un tel système et du logiciel associé, puis à accompagner le développement d’une première version et son implantation au sein d’unités tests de l’Armée de l’Air. Le projet comporte également des actions de recherche afin de pouvoir anticiper les besoins futurs déjà identifiés.

Projet UNAMED[3]

L’Onera mène depuis des années des recherches sur l’analyse des paramètres de vol et des rapports d’incidents et a accès, dans le cadre d’un MoA avec la NASA ARC, à l’outil APMS qui offre des fonctions d’analyses sophistiquées et novatrices.

De son côté, afin d’améliorer la sécurité des vols, Airbus encourage les compagnies à utiliser la suite d’outils AirFASE/LOAS/AIRS et vise à rester un acteur majeur auprès des compagnies pour les aider à mettre en place une politique de sécurité des vols efficace. Ceci passe notamment par un maintien à la pointe de la technologie des outils qu’il propose.

L’étude UNAMED (Unified Analysis of Major aeronautical Events and their Diagnosis) démarrée en 2004 avec le soutien d’Airbus vise à identifier et définir de nouvelles fonctionnalités complétant avantageusement les outils existants et permettant de les tester sur des vols réels. Un des axes prioritairement étudiés concerne la possibilité d'une utilisation plus unifiée des différents outils de la suite FOM. L’enjeu est de donner aux responsables de la sécurité des vols des moyens de mieux identifier les événements générateurs de risque. Pour cela, cette étude vise à corréler, grâce à une analyse qualitative, les informations issues de l’analyse des paramètres de vol (AirFASE) avec celles entrées dans les rapports LOAS. Les paramètres de vol et les rapports LOAS sont fournis par une compagnie aérienne pour un ensemble significatif de vols et analysés grâce à l’outil Kontex de l’Onera.



L'Assistance pro-active

 

Ce concept désigne une fonction d’assistance qui vise à fournir des informations pertinentes en regard des besoins de l’opérateur à un instant donné. Une telle assistance requiert le suivi de l’activité réelle de l’opérateur, et elle doit s’appuyer sur une connaissance de la tâche à accomplir en même temps que des marges que l’opérateur peut s’autoriser dans sa réalisation. Idéalement, elle repose sur une reconnaissance d’intention et sur une prédiction de l’évolution de la situation

Projet PAVE[4]

Le projet PAVE (Pilot Assistant in the Vicinity of hElipads) est inscrit dans le programme de recherche commun ONERA-DLR sur les hélicoptères, lancé en 2003 pour une durée de 4 ans ½. Il vise à développer les technologies susceptibles d’assister le pilote lors des opérations tout temps sur terrains non préparés, et à les évaluer en simulation puis en vol..[5]

L’Onéra-DCSD intervient sur deux fonctions du système d’assistance : la protection du domaine de vol (Flight Envelope Protection : FEP) et la surveillance de l’exécution du vol (Flight Execution Monitoring : FEM). Les modules correspondants sont développés et testés dans un premier temps dans l’environnement de simulation pilotée LIPS dédié aux études en facteurs humains, à Salon-de-Provence.

Le module de suivi d’exécution du vol du projet PAVE utilise l’outil logiciel ProCoSA, développé par l’Onera-DCSD, qui implémente le formalisme des réseaux de Petri.

Cet outil a été choisi pour assurer le suivi de l’activité du pilote, et notamment le déroulement des procédures de vol, ainsi que la gestion de l’interface d’assistance au pilote.

Dans le cadre de ce projet, les réseaux de Petri représentant l’ensemble d’une mission générique, depuis les vérifications avant mise en route jusqu’à l‘arrêt moteur en passant par le suivi du plan de vol, ont ainsi été développés selon une démarche méthodique exploitant la documentation existante et un recueil d’expertise pilote, et saisis sous ProCoSA .


Figure 1 : Exemple de réseau de Petri pour la procédure de décollage.

Les informations sont restituées au pilote au moyen d’une interface graphique, contrôlée par ProCoSA au fur et à mesure du déroulement de l’activité.
 


Figure 2 : La page décollage de l’interface graphique FEM.

 
 Le module fournit ainsi au pilote :

  • une représentation de l’état d’avancement de la procédure en cours, et
  • des avis de résolution lorsque qu’un écart pertinent du point de vue de la sécurité est détecté.


Thèse : « Méthodologie d’allocation dynamique des fonctions homme-machine »

Cette thèse co-encadrée par l’Université d’Aix-Marseille (formation doctorale : Cognition, langage, éducation. ED 356) et l’Onera a démarré en novembre 2005 [6].

Le but de cette thèse est de contribuer à la définition d'une méthodologie pour la conception de l'allocation statique puis éventuellement dynamique des fonctions entre opérateurs et systèmes, adaptée pour son application aux opérations aéronautiques.

L'allocation des fonctions homme-machine peut être simplement définie sur la base de principes de conception au moyen de prototypes et d'essais successifs. Cependant, afin de réduire les coûts et les délais, différentes méthodologies sont apparues récemment pour conduire ce processus de conception, en plaçant l'opérateur ou plus exactement, son rôle dans le cadre de la mission, au centre de ce processus (Billings 1991, Dearden 2000). Cette centration nécessite que soit modélisée l'activité de l'opérateur en recourant à des formalismes adaptés (eg UML).

Idéalement, une telle méthodologie devrait reposer sur une définition précise des rôles et des objectifs de performance, permettre de tracer les choix de conception, être compatible avec le fonctionnement de l'opérateur et enfin être fiable en ce qu'elle produit un résultat qui satisfait aux objectifs.

De plus, une solution idéalement envisagée, pour que l'opérateur puisse faire face aux situations dynamiques comportant de nombreuses tâches concurrentes et de fortes variations de charge de travail, est d'adapter l'allocation selon la charge de l'opérateur, certaines fonctions étant alors affectées automatiquement aux automatismes. Les méthodologies actuelles prennent difficilement en compte cet aspect dynamique.

Dans le cadre de cette thèse, les travaux visés comportent notamment les points suivants :

Etat de l'art sur les méthodologies d'allocation de fonctions homme-machine, ainsi que sur les méthodes d'évaluation de concept préconisées notamment dans l'aviation civile.

Proposer une méthodologie adaptée aux tâches de conduites aéronautiques (équipages, contrôleurs). On considérera d'abord une allocation statique.

Recherche d'extensions pour aborder l'allocation dynamique selon des critères à établir (état opérateur, tâches prioritaires,..).

Mise au point sur cas école (benchmark, micro monde) .

Expérimentation et évaluation sur des exemples de scénarios aéronautiques (moyen de simulation LIPS de l'Onera).

Contribution au projet européen FLYSAFE

FLYSAFE ("Airborne Integrated System for Safety Improvement, Flight Hazard Protection and All Weather Operations") est un projet du 6ème PCRD démarré en 2006 pour une durée de cinq ans et dont le leader est Thalès. L’Onera-DCSD participe aux groupes de travail WP 5.3 (Intelligent Crew Support), 5.4 (Strategic Data Consolidation) et 6.2(System Safety Assessment).

L'Evaluation et moyens expérimentaux associés

 

Le Laboratoire d’Etude des Interactions Pilote- Systèmes (LIPS) [7]

Pour conduire les expérimentations en facteurs humains l’Onera-DCSD dispose à Salon-de-Provence d’un environnement de simulation temps réel et distribué, dénommé LIPS, permettant de mettre au point et d’évaluer :

de nouveaux concepts d’assistance au pilotage et à la conduite de missions complexes,

  • de nouveaux modules d’intelligence embarquée,
  • de nouveaux concepts de guidage et de pilotage,
  • de nouvelles technologies (avion, capteur, armement,..),


avec prise en compte de l’homme dans la boucle.

Cet environnement d’accueil a été développé pour étudier divers aspects liés aux interactions hommes-systèmes et aux facteurs humains (charge de travail, conscience de situation, représentation des informations, vision augmentée par réalité virtuelle, …). C’est de fait un support naturel aussi bien pour les études systèmes, que pour celles consacrées à l’analyse de l’activité de pilotage ou à la conduite de systèmes de drones. Le LIPS est utilisé notamment pour recueillir des observations sur les opérateurs mis en situation, selon les besoins des différentes études de l’équipe. Il a été utilisé notamment pour expérimenter les approches développées dans le cadre des thèses (Ghost, Venus), ainsi que pour le développement et la démonstration des modules développés dans le cadre du projet PAVE.

Etude Vénus[8]

Les mécanismes de variation des performances cognitives de l'opérateur selon les perturbations de sa tâche (selon la convention de coopération Onera - Inserm 455) ont été étudiés dans l’accompagnement et le suivi d’une thèse (Laurent Bayssié, fin 2003)[9] qui a permis de définir une méthode générique (Delta)[10] d’évaluation objective/subjective des interactions opérateur/système, et de mettre en évidence les conditions d’un effet, l’effet « eucalepique » d’amélioration de la performance de l’opérateur par modification de la charge de travail et notamment sous certaines conditions lors d’une augmentation de celle-ci (contrairement à l’intuition).

Une première expérimentation a été conduite en utilisant les capacités du LIPS : l’opérateur était soumis à différents tests d’ordre logique, en même temps qu’il avait à réaliser une tâche de suivi de plan de vol, dans un mode de pilotage semi-automatique.

Cette expérimentation a montré l’intérêt de disposer d’un micro monde pour la simulation d’une tâche à caractère aéronautique, fonctionnant sur un ordinateur portable unique et comportant des tests paramétrables et automatisés, afin d’une part de s’affranchir de la complexité de mise en œuvre d’une simulation complète sous LIPS, et d’autre part, de pouvoir contrôler l’ensemble des paramètres de la simulation via son automatisation.

Défini en liaison avec l’Inserm, ce micro monde a été baptisé Venus-PC.[11]

Autour de cette étude, un contrat DGA/STTC « Attention et Raisonnement » en partenariat avec l’Inserm a été lancé en novembre 2004. Son financement a permis l’achat d’un moyen expérimental : un eye-tracker utilisable pour diverses expériences (dont Venus) visant à établir la corrélation (ou non) des mécanismes de prise d’information dans le cockpit et de ceux de performance cognitive des opérateurs par la réalisation de tâches variées.

Le Positionnement international et national

 

Les partenaires principaux au niveau international sont :

la NASA (laboratoire Ames, Californie), un MoA est en cours jusqu’en 2007 ;
le DLR (projets Pave, PiRol)
les laboratoires partenaires dans deux projets européens : SEFA et FLYSAFE
La communauté aéronautique FH européenne : par la participation aux groupes GARTEUR :
(FM-AG13) Mental Workload Measurement
(FM-AG19) Pilot-Assistant, en tant qu’animateur.

Au niveau national, les partenaires avec lesquels des conventions sont signées sont :

  • l’Imassa (Institut de Médecine Aéronautique du Service de Santé des Armées) ;
  • l’Inserm (Institut National  de la Santé et de la Recherche Médicale, Unité 455 Neuroimagerie Fonctionnelle et Plasticité Cérébrale) ;
  • Airbus (France et Training)
  • Parallèlement, un travail est effectué avec Eurocopter pour la définition de participations au projet DPAC Crew Assistant (PHIDIAS) et au PEA ESTHETT, projets qui doivent démarrer en 2007.
  • Enfin l’EMAA (Etat Major de l’Armée de l’Air) Bureau Sécurité des Vols, suit en particulier les travaux REX-ASV et y est impliqué en tant qu’expert depuis les tous débuts du projet.

Au niveaux régionaux, l’équipe FH a en Midi-Pyrénées toujours été un partenaire des réseaux locaux : Prescot (sciences cognitives), Feria (Fédération Automatique Informatique Laas-Irit-Onera), CNRT ; en PACA, les contacts avec les laboratoires se développent (LSIS,  Université Aix-Marseille, Inrets, LPC).


Références


[1] 4/F000201 (T/R-45/05) de Mars 2005 de P. Bonnet, L. Chaudron, P. Le Blaye, N. Maille pour Ressources Générales, titre Domaine d'Action Stratégique : "Facteurs Humains". (dossier d'évaluation scientifique) - Toulouse le 15 mars 2005

[2] 1/7998.23-AER.00710.01F (T/R-132/00) de Avril 2000 de L. Chaudron, P. Le Blaye, N. Maille, L. Wioland, J-Y. Grau pour DGA/DSP/STTC/SH, titre Retour d'expérience sur les facteurs humains pour la sécurité des vols des aéronefs militaires.. REX\_FH, phase 2.

1/09406 (T/R-132/04) de Juillet 2004 de P. Le Blaye, L. Chaudron pour DSSA/IMASSA, titre Codage informatique des fonctions de filtrage des enregistrements de vol. Rapport final REX-FH - Phase 3 - Tranche 1

1/09630 (T/R-86/05) de Avril 2005 de N. Maille, P. Le Blaye, L. Chaudron pour DSSA/IMASSA, titre Reconstitution de l’activité de pilotage avec l’outil DémoREX. REX-FH – Phase 3 – Tranche 2

 1/10772 (T/R-215/05) de Octobre 2005 de N. Maille, P. Le Blaye, L. Chaudron pour DSSA/IMASSA, titre Développements de l'outil DémoREX et validation sur vols réels. REX-FH – Phase 3 – Tranche 3

[3] 5/06753.01F (T/R-260/02) de Décembre 2002 de L. Chaudron pour Ressources Générales, titre Éléments d'Analyse Formelle de Concept Généralisée. Contribution au MoU Onera-Nasa "Formal Analyses of Human Factors in Aeronautical Incidents

[4] 2/9154 (T/R-245/05) de Décembre 2005 de P. Le Blaye, Th. Rakotomamonjy pour Ressources Générales, titre Système d'assistance au pilote d'hélicoptère (PAVE). Activités 2005

[5] T/C-95/04 de Juin 2004 de R. Kohrs, P. Le Blaye pour ODAS : ONERA DLR Aerospace Symposium, titre Assistance in mission planning and monitoring for helicopter pilot

[6] Coye de Brunélis, T. (Janvier 2006). Méthodologie d'allocation dynamique de fonctions homme-machine. In Actes de la journée des thèses, Branche traitement de l'information et Systèmes DCSD-DPRS-DTIM, 19 et 20 janvier 2006. Toulouse : ONERA, pp. 63-64.

[7] 2/10405 (T/R-217/05) de Octobre 2005 de P. Bonnet pour RG, titre ELIPS - Documentation programmeur.

1/10405 (T/R-216/05) de Octobre 2005 de P. Bonnet pour RG, titre ELIPS - Documentation utilisateur.

[8] 1/ 10735 01F (T/R-39/06) de Décembre 2006 de P. Bonnet, Ch. Laure, L. Chaudron pour INSERM U455 Toulouse, titre Projet Venus. Synthèse des expérimentations VEGA

[9] 3/06753 (T/R-246/02) de Décembre 2002 de L. Bayssié pour Ressources Générales ONERA, titre Variabilité de la performance cognitive d'un opérateur. Contribution à l'étude du raisonnement

[10] T/C-275/03 de L. Bayssié, P. Bonnet, L. Chaudron, P. Le Blaye pour Ergonomics Society Annual Conference 2004, titre Cognitive Performance Evaluation With Delta Method at LIPS

[11] 3/10405 (T/R-208/05) de Octobre 2005 de P. Bonnet pour RG, titre VENUS-ELIPS - Documentation utilisateur.

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