I – Pourquoi une étude sur les baisses de vigilance en conduite automobile ?

1L’Association des Sociétés Françaises d’Autoroutes publie chaque année une analyse des accidents mortels sur autoroute de liaison en fonction des causes. Sur 1508 comptes rendus d’accidents sur la période de 5 ans : 1988-1992, il apparaît que les causes principales restent la fatigue, l’inattention et l’assoupissement, dans 29 % des cas (1), ce chiffre variant peu d’une année à l’autre. Si l’on ajoute à ces trois causes le cas de l’alcool, on porte ce chiffre à 30,9 %, pour l’année 1992.

2Cette même association insiste sur la nécessité pour le conducteur de reconnaître par lui-même les « signes précurseurs » de la fatigue et de mettre en place une pratique lui permettant de « réactiver » sa vigilance. Une enquête portant sur 323 conducteurs a permis d’établir la liste des symptômes les plus souvent cités. Ce sont par ordre décroissant : le clignement des yeux, le bâillement, la somnolence, les maux d’yeux et le besoin de bouger. 95 % des personnes interrogées « diagnostiquent » elles-mêmes la baisse de vigilance (2).

3Aux USA, des enquêtes similaires sont pratiquées. Sur 50 000 cas d’accidents mortels, 13 % ont pu être imputés à un endormissement du conducteur (3). Dans de nombreuses études, on note que la majorité de ces accidents se produit entre 1 h et 6h du matin et entre 13h et 16h, la période située entre 4h et 6h étant la plus dangereuse. On remarque également qu’un grand nombre d’entre eux concernent les conducteurs de poids lourds et que les personnes souffrant de troubles du sommeil sont plus exposées à ce risque (4).

4Il apparaît clairement au travers de ces enquêtes que l’étude des baisses de vigilance au volant revêt un caractère d’importance auquel la population est de plus en plus sensibilisée.

5Alors que les Sociétés d’autoroutes s’attachent à informer les conducteurs sur les risques précurseurs des état d’hypovigilance, les constructeurs automobiles s’intéressent plutôt à la mise au point de systèmes d’alarme pour prévenir le conducteur de sa baisse de vigilance.

II – Rappels de l’historique du projet et du cahier des charges du système

6Un tel système est actuellement à l’étude au Département des Sciences de l’Environnement de Renault. Son cahier des charges a été défini pour répondre aux exigences suivantes :

• l’indice détecté et analysé doit être inhérent à la tâche de conduite et ne doit pas perturber la conduite.
• l’indice choisi relatif à la tâche de conduite doit être significatif de l’état de vigilance du conducteur.
• le système doit être capable de détecter de façon précoce, toute détérioration de l’état de vigilance du conducteur.
• le système doit être capable d’intégrer les différences inter-individuelles existant dans la population des conducteurs.
• le système doit informer le conducteur des baisses de vigilance détectées.

7Pour répondre à ce cahier des charges, Renault a choisi de baser son dispositif sur l’analyse en temps réel des mouvements du volant. L’approche est donc comportementale et fondée sur l’hypothèse que la stratégie de conduite se modifie lorsque la vigilance décroît. La phase d’étude d’un tel système doit passer par un nombre important d’essais réalisés sur des conducteurs différents, des trajets différents et éventuellement des véhicules différents. Ces essais doivent comporter d’une part des enregistrements physiologiques sur le conducteur afin de déterminer une référence de son niveau de vigilance et d’autre part un enregistrement du signal Angle Volant. Le principe consiste à extraire du signal Angle Volant les paramètres qui seront le mieux corrélés avec le niveau de vigilance issu de l’analyse physiologique. Ceci permettant, à terme, de s’affranchir du recueil des signaux physiologiques.

8Pour ce faire, Renault a déjà entrepris des essais sur simulateur de conduite afin d’étudier l’influence des transitions veille-hypovigilance-sommeil sur les mouvements du volant.

9Le protocole suivi pendant ces 27 essais et les résultats obtenus sont décrits dans nos précédentes publications (5, 6, 7, 8).

10Trois paramètres issus du signal Angle Volant ont été retenus pour représenter de manière satisfaisante le niveau de vigilance du conducteur (8).

11Mais si les expérimentations sur simulateur nous ont permis de réaliser en toute sécurité notre étude de l’influence des baisses de vigilance sur la tâche de conduite, il n’en reste pas moins que la validation des résultats obtenus s’impose en situation de conduite réelle.

12Aussi, nous présentons ici nos derniers essais réalisés sur circuit de conduite. Ceux-ci sont à considérer comme une étape intermédiaire dans la validation de notre dispositif, entre le simulateur et la circulation sur route ouverte.

III – Protocole expérimental

13Nous avons réalisé 21 expérimentations, de nuit, sur des sujets volontaires. Le véhicule utilisé était une Renault 25, à direction assistée entièrement équipée pour les besoins de l’essai. Ces essais ont été soumis à l’approbation d’un comité d’éthique.

1. Les sujets

14Le recrutement des sujets s’est fait sur la base de quatre critères :

15– Un enregistrement EEG préalable, effectué en laboratoire. Cet examen nous a permis de ne sélectionner que les personnes montrant une forte propension à émettre des ondes Alpha. Le test classique consiste à l’aide d’électrodes en position 01-02 selon le Système International de Jasper, à observer une apparition de ces ondes à la fermeture des yeux et à vérifier leur atténuation lors d’une activité mentale intense (calcul mental par exemple) (9).

16– Un examen médical classique consistant à éliminer les individus sujets à des pertes de connaissance ou à des maladies du sommeil par exemple.

17– Une série de tests psychotechniques, classiquement utilisés dans le recrutement de conducteurs d’engins. Pour nous, il s’agissait uniquement d’éliminer les sujets ayant de réels problèmes de coordination motrice ou de contrôle émotionnel et de vérifier qu’aucune anomalie importante ne puisse devenir source d’accident. Ils étaient au nombre de quatre. Le test de Ricossay est une évaluation psychomotrice qui met en évidence la valeur de la coordination motrice et l’existence de tremblements. La mesure du temps de réaction auditif (TRA) permet d’étudier les réflexes psychomoteurs. Le test des réactions complexes de Bonardel (RGB) nécessite une organisation rapide des coordinations motrices. Le test d’intelligence concrète de Bonardel (B 101) met en évidence la capacité d’adaptation, d’apprentissage et de décision face à une situation nouvelle (situation de danger par exemple).

18– Un questionnaire relatif aux habitudes de sommeil et aux habitudes de conduite, complété par le questionnaire d’Horne et Ostberg, qui permet de classer les individus en trois groupes : Sujets du matin / Sujets intermédiaires / Sujets du soir, en fonction des conditions optimales de leur forme physique et intellectuelle. Ainsi, sur 21 personnes, nous avons retenu 7 sujets « du matin », 6 sujets « intermédiaires » et 8 sujets « du soir ». La figure 1 présente la répartition des âges selon le sexe des sujets retenus. On trouve un maximum de sujets dans la tranche d’âge 25-40 ans. 5 personnes sur 21 ont une expérience de conduite inférieure ou égale à 5 ans.

Figure 1. Répartition des âges selon le sexe

2. Le circuit de conduite

19Il s’agit de l’anneau de vitesse « Renault » dont le développement est de 4432 m, soit : deux lignes droites de 800 m chacune, deux virages à profil constant (rayon de courbure 300 m) de 750 m chacun et quatre clothoïdes de transition de 310 chacune.

3. Consignes

20Il était demandé aux sujets de rouler à 120 km/h sur le plan horizontal du bord intérieur de la piste. Une voie d’environ 3 à 4 mètres de large était matérialisée par des cônes réfléchissants disposés tout autour du circuit. La piste n’étant pas éclairée et la communication avec les autres occupants du véhicule étant limitée à son strict minimum, toutes les conditions étaient réunies pour obtenir rapidement des baisses de vigilance. Un copilote se trouvait en place passager avant et assurait la sécurité à l’aide d’un double pédalier et grâce à la possibilité de « rattraper le volant » lorsque le sujet s’endormait et sortait de la route. La vigilance de ce copilote était assurée grâce à son remplacement par une personne reposée, toutes les heures. A l’arrière, un expérimentateur avait pour tâche de contrôler le fonctionnement de tous les appareils et la qualité des signaux enregistrés. La durée de l’essai variait selon la vigilance des sujets et leur capacité à maintenir une conduite non dangereuse. Généralement, l’essai débutait aux alentours de minuit et pouvait se prolonger jusqu’à 6 heures du matin. Un premier questionnaire était proposé au sujet juste avant l’essai. Il comprenait des questions relatives à son activité, à la qualité de son sommeil et à l’absorption de somnifères ou d’excitants durant les deux semaines précédentes. Les heures de lever et de coucher de la nuit précédente étaient également demandées. Un second questionnaire, en fin d’essai, visait à connaître l’appréciation subjective que le sujet avait pu faire de sa vigilance au cours de l’essai.

4. Signaux enregistrés

21– Électro-encéphalogramme (EEG) : 2 dérivations bipolaires (01-02 et F3-F4, Système 10/20)

22– Électro-oculogramme (EOG) : 2 dérivations bipolaires (verticale et horizontale).

23Ces quatre signaux étaient référencés par rapport à une électrode oreille. Les pré-amplificateurs étaient positionnés directement sur la tête du sujet afin de minimiser la longueur des fils et le bruit induit. Les signaux étaient ensuite amplifiés et filtrés dans la bande [1,6-30] Hz.

• Angle volant – Capteur potentiométrique de précision inférieure à 1 degré.
• Vitesse du véhicule.
• Accélérations du véhicule (longitudinale, transversale, verticale).
• Force appliquée sur la pédale d’accélérateur.
• Utilisation du frein.
• Utilisation des clignotants.
• Vitesse de lacet du véhicule.

24Tous ces signaux étaient enregistrés analogiquement sur bande magnétique.

25Enregistrements vidéo par caméras sensibles dans le visible et proche infrarouge : – film du visage du conducteur ;

26– film de la route défilant devant le véhicule (en vue d’un traitement d’image fournissant la position du véhicule par rapport à la ligne blanche de gauche).

27Pour des raisons de sécurité, l’expérimentateur et le copilote disposaient d’un moniteur vidéo leur permettant de visualiser le visage du sujet en continu. L’expérimentateur pouvait également contrôler les signaux EEG afin de déceler le plus rapidement possible les baisses de vigilance. Des commentaires sur l’état du sujet, le déroulement de l’essai ou les signaux étaient enregistrés par l’expérimentateur. Deux horloges permettaient de synchroniser les enregistrements vidéo avec les signaux.

IV – Résultats globaux

28En moyenne, les essais ont duré 4h 06 mn. La figure 2 présente les résultats obtenus en termes de baisses de vigilance. Près de 50 % des sujets ont eu des baisses de vigilance très graves (interventions du copilote dues à des endormissement). 33,4 % des sujets ont eu des baisses de vigilance légères, non associées à une conduite dangereuse. Seulement 19 % d’entre eux n’ont montré aucune baisse de vigilance. Il est délicat de faire un lien entre le niveau global de vigilance du sujet pendant l’essai et la durée de sommeil de la nuit précédente. Par contre, les questionnaires post-essai montraient que les sujets avaient généralement bien apprécié leur propre niveau de vigilance.

Figure 2. Résultats obtenus en termes de baisse de vigilance

V – Analyses physiologique et comportementale

29Le but est de produire en continu sur toute la durée de l’essai une référence physiologique du niveau de vigilance du conducteur, ceci à partir de données physiologiques (EEG, EOG) et comportementales (film vidéo du visage). Plusieurs étapes sont nécessaires pour fournir une classification finale en différents niveaux de vigilance :

1. Signal EEG

30Bien que de nombreux indicateurs physiologiques soient disponibles pour décrire le niveau de vigilance d’un individu, le signal EEG reste le plus prédictif et le plus fiable (10, 11, 12). De nombreux auteurs ont mis en évidence l’importance du taux d’ondes Alpha dans le signal EEG pour décrire l’apparition des premières baisses de vigilance (13, 14).

31L’interprétation visuelle de nos signaux en termes de baisses de vigilance a été effectuée par un spécialiste en neuro-physiologie. Une classification en trois niveaux de vigilance a ainsi été réalisée pour tous les essais (1 : haute vigilance, 2 : hypovigilance précoce, 3 : hypo-vigilance prononcée). Celle-ci se base essentiellement sur la quantité de bouffées d’ondes Alpha présentes dans le tracé, mais aussi sur l’apparition d’ondes Thêta, caractéristiques d’une hypo-vigilance plus sévère (15). L’évolution de ces 3 niveaux de vigilance au cour du temps est alors tracée.

2. Analyse du film du visage

32L’étude du comportement, notamment pour étudier les problèmes de vigilance au travail, a suscité de nombreux travaux. Un individu, assigné à une tâche donnée, développe un ensemble d’activités dont les finalités paraissent différentes (16). Nous nous intéressons ici plus particulièrement aux activités non finalisées, c’est-à-dire non indispensables à l’exécution de la tâche. Celles-ci regroupent les mouvements dits de confort, les gestes autocentrés et les activités ludiques (17). On les appelle parfois « activités collatérales » (18). On montre que plus la situation est monotone et plus fréquentes sont ces activités (19). Elles sont interprétables comme l’expression d’un conflit entre la tâche à réaliser et les capacités du sujet à un instant donné (20). Beaucoup d’auteurs se sont intéressés à mettre en relation les activités collatérales avec le système d’activation centrale, et plus particulièrement avec la notion de vigilance. L’une des hypothèses, confirmée par de nombreux travaux, lie l’apparition de ces activités à un niveau d’activation générale tellement faible qu’il n’existerait plus de cohérence entre ce que l’individu doit faire et ce qu’il peut faire (21).

33Les caractéristiques des mouvements des yeux (repérables soit sur le signal EOG, soit sur le film du visage), sont aussi un facteur d’importance pour l’étude de l’évolution du niveau de vigilance. Le temps de fermeture des yeux semble être un paramètre fondamental, ainsi que les mouvements oculaires lents (MOL) (15, 22). Ces derniers sont définis comme des mouvements involontaires des yeux, pendulaires et convergents. Ils accompagnent une baisse d’activation cérébrale (23).

3. Référence physiologique

34L’ensemble de ces informations est utilisée pour effectuer l’analyse comportementale à partir du film du visage du conducteur. Un répertoire comportemental est tout d’abord effectué pour chaque sujet. Puis, en parallèle avec le diagnostic issu de l’EEG, l’évolution des comportements est interprétée pour aboutir à une classification finale en trois niveaux de vigilance : le niveau 1 correspond à de la haute vigilance ; le niveau 2 représente une hypo-vigilance légère qui n’est pas encore associée à une conduite dangereuse mais dont le conducteur devra être informé grâce au système embarqué ; le niveau 3 correspond à une hypovigilance prononcée, le conducteur ayant dû être prévenu avant l’apparition de ce niveau. La figure 3 présente un exemple de classification obtenue pour un sujet s’étant endormi. On constate que le niveau de vigilance se dégrade progressivement et comporte une phase de récupération en milieu d’essai, suite à une pause. En fin d’essai, le sujet se trouve essentiellement en niveau 3. La figure 4 , sous forme de tableau récapitulatif, présente les résultats obtenus pour 13 essais analysés. On remarque que des mouvements oculaires lents sont fréquemment observés. À l’exception de 3 sujets qui n’ont eut aucune baisse de vigilance, les temps passés en niveau 2, voire 3, sont très importants. La correlation existant entre les résultats issus de l’EEG et ceux issus de l’analyse comportementale est bonne dans la majorité des cas. Cependant, quelques sujets posent problème, dans le sens où l’analyse de l’EEG ne s’est pas révélée suffisamment fiable. Pour la plupart de ces cas, il s’agit d’une non-détection des périodes de basse vigilance qui apparaissent comme évidentes sur le film du visage. Ces résultats montrent clairement la nécessité de l’analyse comportementale pour l’établissement d’une référence physiologique.

Figure 3. Exemple de classification pour un sujet endormi

Figure 4. Tableau récapitulatif pour 13 essais analysés

VI – Analyse des signaux mécaniques

35Lorsque la référence physiologique a été construite, il s’agit ensuite d’analyser les signaux mécaniques afin de déterminer s’ils contiennent également une information relative à la vigilance du conducteur et si cette information peut se suffire à elle seule. Ces travaux sont en cours, nous ne présentons ici que les caractéristiques générales des signaux mécaniques.

1. Angle volant

36De nombreux auteurs ont étudié les propriétés mathématiques du signal angle volant (24, 25), et établi un lien entre ces caractéristiques et les notions de performance ou de vigilance (26, 27). On trouve de multiples études réalisées sur simulateur de conduite, mais peu en situation réelle.

37Le signal angle volant se présente dans nos essais comme un signal non stationnaire, à moyenne nulle dans les lignes droites et dont la composante continue est d’environ 25 degrés dans les virages. Le circuit étant bouclé, ce schéma se répète pendant tout l’essai. Que ce soit en ligne droite ou en virage, on observe autour de la moyenne de ce signal des « micro-corrections » correspondant aux corrections de cap effectuées par le conducteur. Les fréquences essentielles contenues dans ces micro-corrections sont inférieures à 1 Hz. Ce sont ces corrections qui doivent être analysées en termes de baisse de vigilance. En effet, on observe que les caractéristiques de ces micro-corrections se modifient en fonction du niveau de vigilance du conducteur. Les composantes continues dues aux virages peuvent être éliminées grâce à un filtrage passe-haut à 0,1 Hz, afin de ne conserver que les composantes utiles du signal (Figure 5).

Figure 5. Composantes utiles du signal angle-volant

2. Vitesse du véhicule

38Lorsque le conducteur a pour tâche de respecter une consigne de vitesse (ce qui était le cas dans nos essais), ce signal peut devenir une indication supplémentaire quant au niveau de vigilance. En effet, lorsque la vigilance décroît, le sujet a de plus en plus de mal à effectuer ses tâches, que ce soit le maintien de la trajectoire ou le maintien de la vitesse à 120 km/h.

39Les résultats obtenus sur ce signal sont cependant assez variables d’un sujet à l’autre. Beaucoup ont tendance à ralentir lorsque la vigilance diminue. D’autres, au contraire, accélèrent. Par contre, l’augmentation de la variabilité du signal autour de la valeur de consigne semble être un point commun à tous les sujets.

40La Figure 6 présente un exemple d’évolution de ce signal et les niveaux de vigilance correspondants, pour un sujet s’étant endormi à plusieurs reprises.

Figure 6. Un exemple d’évolution du signal et les niveaux de vigilance correspondants

3. Trajectoire du véhicule

41Elle est calculée grâce à un traitement d’images issues du film de la route. On obtient ainsi la position du véhicule par rapport à la ligne blanche de gauche (Figure 7). Ce signal est également lié au signal angle volant mais chacun d’eux apporte des informations complémentaires.

4. Accélérations, vitesse de lacet, pression sur l’accélérateur

42L’accélération longitudinale et la pression sur la pédale d’accélérateur sont liées à la vitesse du véhicule et peuvent caractériser le style de conduite d’un sujet. L’accélération verticale apporte des informations sur l’état du revêtement routier et peut être utile pour éliminer certaines composantes du signal angle volant. La vitesse de lacet et l’accélération transversale sont liées au signal angle volant.

Figure 7. Position du véhicule

VII – Conclusion et perspectives

43La mise au point d’un système embarqué de détection de baisses de vigilance en conduite automobile doit nécessairement passer par une étape de validation en conduite réelle. Nos derniers essais sur simulateur de conduite ont permis de sélectionner des paramètres pertinents sur le signal angle volant. Nous venons de compléter nos données par des essais sur circuit de conduite qui vont nous permettre de définir plus précisément ces paramètres, en prenant en compte de nouveaux facteurs inhérents à une conduite en condition réelle. L’apport de nouveaux signaux mécaniques n’est pas à exclure. Une première étape consistait à montrer que l’analyse simultanée de signaux physiologiques et d’informations comportementales fournit de bons résultats pour l’établissement d’une référence physiologique du niveau de vigilance en situation réelle de conduite.

44D’autres essais sont prévus prochainement sur route ouverte, ainsi qu’une validation des résultats sur camion. L’équipement d’une Safrane comprenant le système complet est également en cours et proposera à des conducteurs volontaires une évaluation subjective de notre système.