Modélisation et surveillance de systèmes Homme-Machine : application à la conduite ferroviaire

par Nedjemi Djamel Eddine Rachedi

Thèse de doctorat en Automatique. Automatique, génie informatique.

Sous la direction de Frédéric Vanderhaegen et de Denis Berdjag.

Le président du jury était Damien Trentesaux.

Le jury était composé de Frédéric Vanderhaegen, Denis Berdjag, Walter Schön, Jean-Marc Thiriet, Oliver Carsten, Denis Miglianico.

Les rapporteurs étaient Walter Schön, Jean-Marc Thiriet.


  • Résumé

    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".

  • Titre traduit

    Human-Machine systems modeling and monitoring : application to rail driving


  • Résumé

    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”.

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