Systèmes contenant de l’automatisation et leur analyse

Systèmes contenant de l’automatisation et leur analyse

Différents constituants de l’automatisation sont étudiés selon le domaine de recherche considéré. Nous pouvons citer le domaine de la conception de l’automatisation avec le groupe de recherche ACM SIGDA (Special Interest Group on Design Automation) qui étudie la conception électronique de l’automatisation. Egalement, nous pouvons citer le domaine des facteurs humains pour la conception de l’automatisation qui étudie la conception de l’automatisation avec la prise en compte de l’humain, de ses capacités et limitations. Nous pouvons encore citer le domaine de recherche de l’IHM où l’interaction entre l’humain et le système interactif est étudié. L’automatisation étant présente dans un nombre de plus en plus important de systèmes interactifs (cockpit, voiture, téléphone), l’IHM inclue l’étude de l’interaction entre humain et système contenant de l’automatisation. Cette thèse se situant dans le domaine de l’IHM, nous présentons l’automatisation dans le but de concevoir des systèmes interactifs contenant de l’automatisation soutenant les buts des utilisateurs et répondant à leurs besoins. A cela, s’ajoute la prise en considération de propriétés propres aux systèmes interactifs contenant de l’automatisation que nous présentons dans ce chapitre. Pour cela, nous nous intéresserons plus spécifiquement à l’analyse des tâches et fonctions de l’humain et du système pour l’atteinte d’un but commun. Dans ce chapitre nous définissons les différent concepts et méthodes pour un utilisateur et un système interactif contenant de l’automatisation. Cependant, ces définitions sont applicables à un ou plusieurs utilisateurs interagissant avec un ou plusieurs systèmes contenant de l’automatisation. La première section présente les définitions de l’automatisation. La seconde section présente des exemples de problèmes causés par une mauvaise conception de l’automatisant dans les systèmes interactifs et présente deux propriétés à garantir pour éviter ces problèmes. La troisième section présente différentes méthodes d’allocation de fonctions et de tâches entre l’utilisateur et le système interactif contenant de l’automatisation. La quatrième section présente différentes méthodes de conception des systèmes interactifs contenant de l’automatisation prenant en compte l’allocation des ressources, de l’autorité, de la responsabilité, les transitions de contrôle et l’initiative. La cinquième section conclut ce chapitre.

Définitions de l’automatisation

Les termes « automatisation » et « autonomie » ont souvent été utilisés indifféremment ou bien dans le but de mieux définir un type de système particulier (Vagia et al., 2016). Le terme Etat de l’art – Systèmes contenant de l’automatisation et leur analyse 41 automatisation a d’abord pu être défini comme l’exécution par le système d’une tâche réalisée précédemment par un humain (Raja Parasuraman, 2000). L’automatisation définie comme telle désigne la migration de tâche de l’humain vers le système. Cette définition ne capture pas les systèmes contenant de l’automatisation capables de réaliser des tâches que les humains n’avaient pas la capacité de réaliser auparavant. Nous pouvons citer par exemple, les systèmes utilisant le radar afin de sonder les fonds marins. Dans cette thèse nous considérons que l’automatisation permet aux systèmes d’exécuter des fonctions sans contrôle extérieur et d’adapter les fonctions qu’ils exécutent à de nouveaux contextes ou buts. Cette définition considère que les systèmes interactif contenant de l’automatisation sont des systèmes capables d’un certain degré d’autonomie. L’autonomie est définie par (Bradshaw et al., 2013) comme étant bidirectionnelle : Self-directedness (autogestion) : cette notion exprime la liberté du système du contrôle extérieur, son habilité à exécuter ses fonctions sans ordre émanant de l’utilisateur. Self-sufficiency (auto-suffisance) : cette notion est l’équivalent du terme français « autonome » et exprime être capable de s’occuper de soi-même, l’habilité du système à auto générer des buts. L’autosuffisance du système interactif contenant de l’automatisation permet de réduire la charge revenant aux utilisateurs. Le système interactif contenant de l’automatisation est capable de réaliser des fonctions pour soutenir un but utilisateur et est capable de s’adapter à de nouvelles situations. L’autogestion du système interactif contenant de l’automatisation est sa capacité à se passer d’un contrôle de l’utilisateur pour l’exécution de ses fonctions.

Propriétés de l’automatisation

Une automatisation avec des défauts de conception peut provoquer des problèmes de surprises d’automatisation ou de out-of-loop. Les surprises d’automatisation sont des situations où le système contenant de l’automatisation a un comportement en dehors des attentes des utilisateurs qui le supervise (Woods, 1996). Le système contenant de l’automatisation change de comportement en se basant sur des facteurs situationnels et systèmes sans donner à l’utilisateur la capacité de suivre et d’anticiper ces changements de comportement (Sarter et al., 1997). Le problème out-of-loop exprime la perte de performance que peuvent expérimenter les utilisateurs lorsqu’ils sont retirés de la boucle perception-action et qu’ils doivent réagir à une nouvelle situation ou reprendre le contrôle d’une tâche précédemment allouée au système (Endsley & Kiris, 1995). Tout comme les systèmes interactifs et les systèmes critiques, les systèmes contenant de l’automatisation possède des propriétés qui leurs sont propres. Nous présentons dans cette section deux propriétés de ces systèmes : trust et situation awareness. 2.1 Trust (J. D. Lee & See, 2004) définit la confiance (trust) comme : La manière dont un système [un agent] aidera à atteindre les objectifs d’un individu dans une situation caractérisée par l’incertitude et la vulnérabilité. La confiance utilisateur-système contenant de l’automatisation dépend de la performance, du processus ou le but du système contenant de l’automatisation (J. Lee & Moray, 1992). (T. B. Sheridan, 1988) propose des attributs de la confiance utilisateur-système contenant de l’automatisation afin de la mesurer et de la modéliser : La fiabilité du système, La robustesse du système, La familiarité : le système utilise des procédures, des termes ou des normes familières à l’utilisateur, La compréhensibilité : l’utilisateur peut former un modèle mental du système et prédire le comportement du système L’explication des intentions : le système communique explicitement qu’il agira d’une certaine façon L’utilité du système pour l’utilisateur La dépendance de l’utilisateur au système Dans la revue réalisée par (Hoff & Bashir, 2015), les auteurs identifient trois couches de variabilité de la confiance : confiance dispositionnelle (tendance durable de l’utilisateur à faire confiance au système), confiance situationnelle (dépend de la situation actuelle) et confiance acquise (dépend de l’expérience de l’utilisateur avec le système). Egalement, (Hoff & Bashir, 2015) identifie que les concepteurs peuvent fournir à l’utilisateur un retour d’information permanent sur la fiabilité de l’automatisation et les facteurs situationnels qui affectent les performances afin de favoriser une confiance appropriée de l’utilisateur au système contenant de l’automatisation.

2.2 Situation awareness (Endsley, 1995) propose une définition de situation awareness (conscience de la situation) : La situation awareness est la perception des éléments de l’environnement dans un volume de temps et d’espace, la compréhension de leur signification et la projection de leur état dans un futur proche. (Endsley, 1995) définit également trois niveaux de situation awareness : Niveau 1 : Perception des éléments de l’environnement. La première étape de pour atteindre la situation awareness est de percevoir l’état et les attributs des éléments pertinents de l’environnement. Niveau 2 : Compréhension de la situation actuelle. La deuxième étape pour atteindre la situation awareness est de comprendre la signification des éléments pertinents perçus en niveau 1. Etat de l’art – Systèmes contenant de l’automatisation et leur analyse 43 Niveau 3 : Projection des futurs états. La troisième et dernière étape pour atteindre la situation awareness est la capacité de prévoir les futures actions des éléments de l’environnement. Le modèle de la situation awareness proposé par (Endsley, 1995) est présenté en Figure 15. Ce modèle intègre les trois étapes pour atteindre la situation awareness dans le processus de prise de décision des utilisateurs.

Table des matières

Liste des figures
Liste des tables
Introduction
1 Problématique
2 Hypothèse de la thèse
3 Structure de la thèse
Etat de l’art
Chapitre 1. Systèmes interactifs et systèmes interactifs critiques
1 Systèmes interactifs
1.1 Définition d’un système interactif
1.2 Architectures des systèmes interactifs
1.2.1 Les modèles à couches
1.2.2 Les modèles à agents
1.3 Propriétés des systèmes interactifs
1.3.1 Utilisabilité
1.3.2 Propriétés externes et internes de (Cockton & Gram, 1996)
Propriétés externes
Propriétés internes
1.3.3 Expérience ou Ressenti Utilisateur
2 Systèmes interactifs critiques
2.1 Définition d’un système critique
2.2 Système interactif critique : le cas des systèmes de commande et contrôle
2.3 Propriétés des systèmes interactifs critiques
2.4 Cockpit d’avion civi
2.4.1 DO-178C et ARP 4754
2.4.2 CS25
3 Conclusion
Chapitre 2. Systèmes contenant de l’automatisation et leur analyse
1 Définitions de l’automatisation
2 Propriétés de l’automatisation
2.1 Trust
2.2 Situation awareness
3 Allocation de fonctions et de tâches
3.1 MABA MABA
3.2 Niveaux d’automatisation
3.2.1 Niveaux d’automatisation de Sheridan, Verplank et Parasuraman
3.2.2 Niveaux d’automatisation d’Endsley et Kiris
3.2.3 Autres niveaux d’automatisation
3.2.4 Niveaux d’automatisation pour les voitures autonomes
3.3 Allocation dynamique des tâches et des fonctions
3.4 Autres approches pour l’allocation de tâches et de fonctions
3.4.1 IDA-S (Andrew Dearden, 2001)
3.4.2 Métaphore du cheval (F. Flemisch et al., 2005)
4 Allocation des ressources, de l’autorité, de la responsabilité et transitions de contrôle
4.1 Contrôle, Autorité, Responsabilité et transitions de contrôle
4.1.1 Contrôle
4.1.2 Autorité
4.1.3 Responsabilité
4.1.4 Transitions de contrôle de la tâche de conduite avec un véhicule autonome
4.2 Allocation de ressource : transparence
5 Conclusion
Chapitre 3. Modélisation de l’humain et de ses tâches
1 Modèles de l’Humain : décomposition des tâches
1.1 Décomposition des tâches humaines
1.1.1 Le modèle SRK
1.1.2 Le modèle du processeur humain
1.1.3 La théorie de l’action de Norman
1.2 Décomposition des tâches ou fonctions allouables à un humain ou un système contenant de l’automatisation
1.2.1 Perception, cognition et action (Task-Agent Control Space)
1.2.2 Information, décision et action (IDA Cycle model)
1.2.3 Monitoring, génération, sélection et implémentation
1.2.4 Information, décision, action et supervision (IDA-S)
1.2.5 Le modèle simple en quatre étapes du traitement de l’information par l’humain et par le système contenant de l’automatisation
1.3 Décomposition des tâches coopératives
1.4 Synthèse
2 Analyse et la modélisation des tâches utilisateur
2.1 Analyse de tâches
2.2 Modèles de tâches
2.3 Notations et outils de modélisation de tâches
2.3.1 Acteurs et rôles
2.3.2 Présentation des notations pour la modélisation de tâches
2.4 Comparaison
3 Notation HAMSTERS et outil HAMSTERS
3.1 Types de tâche
3.1.1 Types de tâches génériques
3.1.2 Tâches perceptives, cognitives, motrices et interactives
3.1.2.1 Tâches perceptives, cognitives et motrices .
3.1.2.2 Tâches cognitive d’analyse et de décision et tâches interactives
3.1.3 Fonctions systèmes
3.2 Hiérarchie et Ordonnancement temporel des tâches
3.2.1 Opérateurs d’ordonnancement temporel
3.2.2 Tâches itératives et optionnelles
3.2.3 Relations temporelles quantitative
3.2.4 Copie, Sub-routines et Composants
3.2.4.1 Copy task
3.2.4.2 Sub-routines
3.2.4.3 Composants
3.3 Description des données, périphériques et objets (DOD)
3.3.1 Données et objets
3.3.2 Périphériques
3.3.3 Relations entre les DODs et les taches
3.4 Outil HAMSTERS
3.4.1 Edition de modèle de tâches
3.4.2 Simulation de modèle de tâches
4 Conclusion
Contribution
Chapitre 4. Cadre conceptuel pour l’analyse des systèmes interactifs contenant de l’automatisation et des tâches de leurs utilisateurs
1 Un exemple illustratif : Le jeu des 15
1.1 Présentation du jeu des 15
1.2 Concept map du jeu des 15
2 Fonctions et de Tâches
2.1 Définitions de fonctions et de tâches
2.2 Définition de la description de l’allocation des Fonctions et des Tâches
2.3 Rôles des utilisateurs et des systèmes, buts, finalités et abilités
2.4 Description de l’allocation des Fonctions et des Tâches sur l’exemple du jeu des 15
2.5 Relations de la description de l’allocation des fonctions et des tâches avec les autres éléments du cadre conceptuel RCRAFT
3 Ressources
3.1 Définition de Ressource
3.2 Définition de la description de l’allocation des Ressources
3.3 Identification des instances, des rôles et acteurs possesseurs et acquéreurs des ressources
3.4 Description de l’allocation des Ressources sur l’exemple du jeu des 15
4 Autorité.
4.1 Définition de l’Autorité
4.2 Définition de la description de l’allocation de l’Autorité
4.3 Les contraintes posées aux acteurs par les acteurs
4.4 Description de l’allocation de l’Autorité sur l’exemple du jeu des 15
5 Transitions de contrôle et de l’initiative
5.1 Définition des transitions de contrôles et de l’initiative
5.2 Définition de l’allocation des Transitions de contrôle et de l’initiative
5.3 Aspects temporels et les conditions des transitions de contrôle et de l’initiative
5.3.1 Séquence ou interruption
5.3.2 Contraintes temporelles des transitions de contrôle
5.3.3 Transitions de contrôle optionnelles ou nécessaires
5.4 Description de l’allocation des Transitions de contrôle et de l’initiative sur l’exemple du jeu des
6 Responsabilité
6.1 Définition de la Responsabilité
6.2 Définition de la description de l’allocation de la Responsabilité
6.3 Description de l’allocation de la Responsabilité en détail
6.4 Description de l’allocation de la Responsabilité sur l’exemple du jeu des 15
7 Conclusion
Chapitre 5. Notation pour la représentation des éléments RCRAFT
1 D’une modélisation intégrée à une modélisation ségréguée
1.1.1 L’exemple illustratif sur un distributeur automatique de billets
1.1.2 La modélisation intégrée du comportement de l’utilisateur avec le système interactif
1.1.3 La modélisation ségréguée du comportement de l’utilisateur avec le comportement du système
2 Coopération entre tâches de modèles de tâches ségrégués et fonctions de modèle de fonctions
2.1 Tâches et fonctions coopératives
2.1.1 Tâche coopérative
2.1.2 Fonction coopérative
2.1.3 Exemple de tâche et de fonction coopérative sur l’exemple du distributeur de billets
2.2 Protocole de coopération
2.2.1 Type de coopération du protocole de coopération
2.2.2 Protocole de coopération synchrone ou asynchrone
2.2.3 Cardinalité du protocole de coopération
2.2.4 Localisation du protocole de coopération
2.2.5 Les ressources reçues ou émises du protocole de coopération
3 Eléments de représentation RCRAFT
3.1 Allocation des fonctions et tâches
3.2 Allocation de ressources
3.3 Allocation des transitions de contrôle et de l’initiative
3.4 Allocation de la responsabilité
3.5 Allocation de l’autorité
4 Conclusion
Chapitre 6. Processus RCRAFT d’analyse et de description systématique de RCRAFT
1 Description du processus RCRAFT
1.1 Vision haut-niveau du processus RCRAFT
1.2 Vue détaillée du processus RCRAFT
1.2.1 Phase de modélisation des tâches explicitant l’allocation de fonctions et de tâches
1.2.2 Phase de description de l’allocation de ressources, les transitions de contrôle et de de l’initiative, de la responsabilité et de l’autorité
1.2.2.1 Extraction des DODs
1.2.2.2 Description de l’allocation de ressources
1.2.2.3 Description de l’allocation des transitions de contrôle et de l’initiative
1.2.2.4 Description de l’allocation de la responsabilité
1.2.2.5 Description de l’allocation de l’autorit
1.2.3 Phase de Modélisation et d’Analyse RCRAFT
2 Application du processus RCRAFT à l’exemple du jeu des 15
2.1 Phase de modélisation des tâches explicitant l’allocation de fonctions et de tâches
2.2 Phase de description de l’allocation de ressources, des transitions de contrôle et de l’initiative, de l’autorité et de la responsabilité
2.2.1 Extraction des DODs
2.2.2 Description de l’allocation de ressources
2.2.3 Description de l’allocation des transitions de contrôle et de l’initiative
2.2.4 Description de l’allocation de la responsabilité
2.2.1 Description de l’allocation de l’autorité
2.3 Phase de modélisation et d’analyse RCRAFT
3 Conclusion
Chapitre 7. Extension de l’outil Hamsters pour l’édition des modèles tâches dans le cadre de l’analyse de l’automatisation
1 Extension de l’outil HAMSTERS pour la représentation de la coopération
1.1 Ressources du protocole de coopération
1.2 Protocole de coopération synchrone ou asynchrone
1.3 Localisation de la coopération
1.4 Cardinalité du protocole de coopération
1.5 Type de coopération
2 Extension de l’outil HAMSTERS pour la représentation des éléments RCRAFT
2.1 Exploitation des modèles pour la représentation de l’Allocation des transitions de contrôle et de l’initiative
2.2 Exploitation des modèles pour la représentation de l’allocation de la Responsabilité
2.3 Exploitation des modèles pour la représentation de l’allocation de l’Autorité
3 Conclusion
Validation de la contribution
Chapitre 8. Validation de l’expressivité de RCRAFT sur des variantes du jeu des 15
1 Version du jeu des 15 avec un temps limité pour jouer son tour
1.1 Présentation du jeu des 15 avec un temps limité pour jouer son tour
1.2 Description de l’allocation RCRAFT pour la version du jeu des 15 avec un temps limité pour jouer son tour
1.2.1 Description de l’allocation des tâches et des fonctions pour la version du jeu des 15 avec un temps limité pour jouer son tour
1.2.2 Description de l’allocation des ressources pour la version du jeu des 15 avec un temps limité pour jouer son tour
1.2.3 Description de l’allocation des transitions de contrôle et de l’initiative pour la version du jeu des 15 avec un temps limité pour jouer son tour
1.2.4 Description de l’allocation de la responsabilité pour la version du jeu des 15 avec un temps limité pour jouer son tour
1.2.5 Description de l’allocation de l’autorité pour la version du jeu des 15 avec un temps limité pour jouer son tour
1.2.1 Description de l’allocation RCRA dans les modèles de tâches ségrégués et de fonctions
1.3 Comparaison des versions du jeu des 15
1.3.1 Comparaison de l’allocation des fonctions et des tâches
1.3.1.1 Identification des différences
1.3.1.2 Impact
1.3.2 Comparaison de l’allocation des ressources
1.3.2.1 Identification des différences
1.3.2.2 Impact
1.3.3 Comparaison de l’allocation des transitions de contrôle et de l’initiative
1.3.3.1 Identification des différences
1.3.3.1 Impact
1.3.4 Comparaison de l’allocation de la responsabilité
1.3.4.1 Identification des différences
1.3.4.1 Impact
1.3.5 Comparaison de l’allocation de l’autorité
1.3.5.1 Identification des différences
1.3.5.1 Impact
2 Version du jeu des 15 proposant des recommandations aux joueurs
2.1 Présentation du jeu des 15 proposant des recommandations aux joueurs
2.2 Description de l’allocation RCRAFT pour la version du jeu des 15 proposant des recommandations aux joueurs.
2.2.1 Description de l’allocation des tâches et des fonctions pour la version du jeu des 15 proposant des recommandations aux joueur
2.2.2 Description de l’allocation des ressources pour la version du jeu des 15 proposant des recommandations aux joueurs
2.2.3 Description de l’allocation des transitions de contrôle et de l’initiative pour la version du jeu des 15 proposant des recommandations aux joueurs
2.2.4 Description de l’allocation de la responsabilité pour la version du jeu des 15 proposant des recommandations aux joueurs
2.2.5 Description de l’allocation de l’autorité pour la version du jeu des 15 proposant des recommandations aux joueurs
2.2.6 Description de l’allocation RCRA dans les modèles de tâches ségrégués et de fonctions
2.3 Comparaison des versions du jeu des 15
2.3.1 Comparaison de l’allocation des tâches et des fonctions
2.3.1.1 Identification des différences
2.3.1.2 Impact
2.3.2 Comparaison de l’allocation des ressources
2.3.2.1 Identification des différences
2.3.2.2 Impact
2.3.3 Comparaison de l’allocation des transitions de contrôle et de l’initiative
2.3.3.1 Identification des différences
2.3.3.2 Impact
2.3.4 Comparaison de l’allocation de la responsabilité
2.3.4.1 Identification des différences
2.3.4.2 Impact
2.3.5 Comparaison de l’allocation de l’autorité
2.3.5.1 Identification des différences
2.3.5.2 Impact
2.4 Synthèse des comparaisons
3 Conclusion
Chapitre 9. Etude de cas : Analyse RCRAFT de systèmes de gestions des alarmes de cockpits AIRBUS
1 Présentation du projet de recherche IKKY
2 Système de gestion des alarmes actuel
2.1 Présentation du « Flight Warning System »
2.2 Procédures de résolution des alarme
2.2.1 Priorités des alarmes
2.2.2 Supprimer une alarme intempestive
2.2.3 Effacer une procédure et valider les lignes de procédures.
2.2.4 Naviguer parmi la procédure et les alarmes
2.2.5 Rappeler la dernière ou toutes les procédures et alarmes
2.2.6 Les pages systèmes
2.3 Panneau plafond
2.4 Rôles de pilote flying et de pilote monitoring
2.5 Analyse RCRAFT de la gestion des défaillances du pilote « monitoring » avec le « flight warning system »
2.5.1 Modélisation des tâches du pilote monitoring et des fonctions du FWS
2.5.1.1 Phase 1 du processus RCRAFT : Modélisation des fonctions du FWS
2.5.1.2 Phase 1 du processus RCRAFT : Modélisation des tâches du pilote Monitoring
2.5.2 Allocation des ressources, des transitions de contrôle et de l’initiative, de l’autorité et de la responsabilité entre le pilote monitoring et le FWS
2.5.2.1 Phase 2 du processus RCRAFT : Allocation des ressources
2.5.2.2 Phase 2 du processus RCRAFT : Allocation des transitions de contrôle et de l’initiative
2.5.2.3 Phase 2 du processus RCRAFT : Allocation de la responsabilité
2.5.2.4 Phase 2 du processus RCRAFT : Allocation de l’autorité
2.5.2.5 Phase 3 du processus RCRAFT : Modélisation RCRAFT
3 Prototype de système alternatif de gestion des alarmes
3.1 Interface pour donner le choix au pilote
3.1.1 Recommandations d’actions de récupération plutôt que des procédures
3.1.1.1 Recommandations d’actions de récupération immédiates
3.1.1.2 Recommandations d’actions de récupération non immédiates
3.1.2 Etats systèmes
3.2 Analyse RCRAFT de la gestion des défaillances du pilote « monitoring » avec le système alternatif
de gestion des alarmes
3.2.1 Modélisation des tâches du pilote monitoring et des fonctions du recommandeur
3.2.1.1 Phase 1 du processus RCRAFT : Modélisation des fonctions du recommandeur
3.2.1.2 Phase 1 du processus RCRAFT : Modélisation des tâches du pilote monitoring
3.2.2 Allocation des ressources, des transitions de contrôle et de l’initiative, de l’autorité et de la responsabilité entre le pilote monitoring et le recommandeur
3.2.2.1 Phase 2 du processus RCRAFT : Allocation des ressources
3.2.2.2 Phase 2 du processus RCRAFT : Allocation des transitions de contrôle et de l’initiative
3.2.2.3 Phase 2 du processus RCRAFT : Allocation de la responsabilité
3.2.2.4 Phase 2 du processus RCRAFT : Allocation de l’autorité
3.2.2.5 Phase 3 du processus RCRAFT : Modélisation RCRAFT
4 Comparaison des automatisations
4.1 Comparaison de l’allocation des tâches et des fonctions
4.2 Comparaison de l’allocation des ressources
4.3 Comparaison de l’allocation des transitions de contrôle et de l’initiative
4.4 Comparaison de l’allocation de la responsabilité
4.5 Comparaison de l’allocation de l’autorité
5 Conclusion
Chapitre . Conclusion et Perspectives
Publications personnelles
Références
Résumé
Abstrac
Annexes
1 Modèles de tâches ségrégués et de fonctions pour la gestion des alarmes avec le FWS 1.1 M