I – Introduction

1La télé opération est un domaine de recherche attractif qui implique des problèmes de contrôle, de communication, d’interaction Homme-Machine et de robotique (1). Elle a de nombreuses applications dans les domaines dangereux, inaccessibles tels les fonds marins, les industries nucléaires... D’un côté l’opérateur humain ne peut réaliser seul la tâche requise et de l’autre côté la tâche est irréalisable par le robot autonome du fait de sa complexité.

2Dans un système de télé opération on distingue trois modes (2) :

• Le mode manuel : l’homme est systématiquement présent dans la boucle de commande au niveau le plus bas de la machine. Il participe physiquement à la génération des trajectoires (directe ou télé manipulée et avec ou sans apprentissage, en temps réel ou différé).
• Le mode automatique : l’homme intervient à un niveau symbolique pour initialiser le système, les robots de substitution ont une parfaite autonomie en phase d’exécution.
• Le mode semi-automatique : alors qu’en mode purement manuel, la machine est un outil qui prolonge la main de l’homme, le mode semi-automatique introduit un partage entre l’opérateur et le système de pilotage, l’homme intervient par intermittence pour guider, corriger ou débloquer le système ou pour commander certains degrés de liberté.

3Pour choisir le « meilleur » mode à adopter on se trouve confronté à un problème de décision concernant la répartition dynamique des tâches. Ainsi est-il nécessaire d’ajouter un système d’aide à la décision. Ce système est basé sur un algorithme de choix multicritère flou (3). Les critères de décision sont les caractéristiques de la tâche (performance exigée, dextérité nécessaire, niveau de cognition exigé, complexité...), les caractéristiques de la machine (disfonctionnement), la qualité et quantité de l’information qui transite entre les deux environnements (état des capteurs, retour d’informations visuels, tactiles...), et l’état de l’opérateur (confiance en la machine (4), charge de travail (5), vigilance...).

4Dans la suite de cet article on s’intéressera à la vigilance de l’opérateur.

II – La vigilance

5La vigilance est l’aptitude du cerveau à répondre activement aux situations inopinées en rapport avec la capacité d’attention dont le sujet est capable. Elle dépend de l’état du système nerveux central qui est présumé agir sur la performance au cours de tâches prolongées de vigilance (6). Initialement, le concept de vigilance a été introduit par le neurologue Head en 1923 (7) pour définir « l’état de l’efficacité du système nerveux central » qui assure la promptitude des réponses adaptatives. À la suite de ses observations cliniques sur des patients en état d’anorexie ou sous narcose, il établit une relation directe entre le niveau de réactivité du système nerveux d’une part, et la précision et la rapidité des réponses comportementales d’autre part.

6Après, et suite à une demande de l’armée, Mackworth (8) réalise un protocole expérimental mettant en exergue la baisse de vigilance qu’il désigne comme la détérioration de la capacité de l’opérateur à rester vigilant au cours du temps, comme l’indique le déclin du nombre de signaux détectés sur une période continue.

7Depuis, beaucoup de chercheurs ont étudié ce phénomène et ont tenté de l’expliquer, chacun proposant sa définition (en général fonction de la tâche utilisée) mais tous faisant appel à l’un au moins des concepts suivants : activation, performance, attention soutenue, sélective, focalisée, intensive...

III – Concepts associés au terme de vigilance

1. Activation

8Les recherches psychophysiologiques des 30 dernières années ont mis en évidence le rôle central que joue la formation réticulaire activatrice dans la régulation de la vigilance. Le concept d’activation est utilisé pour définir l’état fonctionnel des structures nerveuses centrales qui contrôlent la dimension intensive du comportement – Hockey cité dans (11).

9Le « tonus cérébral » résulte des stimulations provenant des milieux intérieurs et extérieurs – Dell cité dans (11) – mais leur action s’exerce par l’intermédiaire du système réticulaire activateur ascendant. La formation réticulée est constituée d’un réseau neuronal vers lequel convergent toutes les afférences sensorielles et sensitives, elle peut être considérée comme un véritable accumulateur d’énergie, analogue à un condensateur. Étant donné que son tonus est entretenu par les stimulateurs afférents, une réduction des influx sensoriels (environnement monotone ou immobilité) provoque une baisse d’activation de l’ensemble du cerveau et donc une baisse de vigilance.

10Par ailleurs si l’optimum d’activation implique un niveau fonctionnel nécessaire à l’accomplissement d’une tâche donnée, un niveau insuffisant ou une activité redondante affectent la performance et la distribution temporo-spatiale de l’excitabilité de certaines structures neurales, et ce pattern varie en fonction des processus perceptifs, cognitifs ou moteurs sollicités au cours de l’accomplissement de la tâche.

2. Performance

11La mesure de la vigilance se fait à travers la performance. Shimiatke (cité dans (11)) propose une courbe en U renversé qui lie la performance à la vigilance (voir figure 1).

Figure 1. Courbe liant la vigilance à la performance

12En abscisse, sont placés les niveaux de vigilance, c’est-à-dire, l’état d’éveil du sujet à un test ; on observe que la performance ne croit pas linéairement avec le niveau de vigilance, mais il existe un niveau de vigilance optimal qui permet d’obtenir une performance optimale. Ce niveau varie selon les sujets, selon le type de tâche et selon le nycthémère.

3. Attention

13Les activités mentales comportant la sélection active de l’information, la prise de décision et le choix de réponses adéquates sollicitent prioritairement l’attention, que ce soit l’attention préparatoire (attente d’un message imminent et préparation à la réponse), que ce soit l’attention soutenue, au cours d’une surveillance dans des conditions monotones ou perturbatrices, que ce soit l’attention sélective engagée dans un processus perceptif ou cognitif en cours et qui change rapidement d’objectif : il s’agit du même processus, indispensable à l’accomplissement de la tâche selon les niveaux quantitatifs et qualitatifs exigés. Ainsi, au cours des activités de surveillance, d’inspection et de contrôle de produits, les événements à détecter sont rares et imprévisibles ; dans ces conditions, l’attention ne peut être maintenue qu’un certain temps.

IV – Protocole expérimental

14La dégradation de la vigilance aux cours des tâches monotones est une loi psychophysiologique (9), par conséquent la mesure d’indices physiologiques au cours de tâches de vigilance fournit non seulement un complément descriptif mais aussi une information nécessaire à la compréhension du phénomène.

15Pour évaluer le niveau de vigilance d’un sujet nous nous basons sur des mesures objectives et d’autres subjectives.

16– Objectives :

1. les résultats de l’exécution de la tâche par l’opérateur humain, la différence entre la tâche à effectuer et la tâche effectivement réalisée,
2. l’enregistrement de l’électroencéphalogramme de l’opérateur humain au cours de la tâche.

17– Subjectives : Réponses des sujets à la fin de la tâche d’un questionnaire inspiré de V.A.S. (12) relatif à son état de vigilance, de performance, de stress et de motivation.

18Pour toutes les expériences les sujets sont assis dans une position confortable, seuls, dans une salle obscure, à une distance de 80 cm de l’écran. La commande du joystick est du type « commande en vitesse ». Nous avons commencé par simuler une tâche de télé opération avant de l’expérimenter sur le télémanipulateur du laboratoire. Les premières expériences ont pour but d’étudier les phénomènes qui pourraient se superposer à l’étude de la vigilance.

Expériences 1

19Pour la première série d’expériences menée, les sujets (10) devaient annuler les déplacements d’une mire à l’écran et essayer de la maintenir au centre de l’écran. La mire est régie, en plus de la commande du sujet à travers le joystick, par une somme de sinusoïdes. Pour ces essais la durée de la tâche est de 15 mn ; la performance est mesurée par la distance qui sépare le centre de l’écran et la position de la mire.

20Ces expériences ont permis de mettre en évidence :

• L’effet de l’apprentissage : chaque sujet a réalisé 5 essais espacés sur une même journée. On a pu noter une augmentation significative (tous sujets confondus) de la performance. Cette augmentation est due à l’apprentissage.
• Les différences interindividuelles : la comparaison des performances de sujets ayant réalisé le même nombre d’essais a montré des différences significatives. Ceci s’explique par des différences tels l’âge, le sexe, la personnalité (10).

21Conclusion 1 : Il faut que chaque sujet ait sa propre référence pour le même type de tâche, cette référence évolue en fonction du temps : si les sujets s’améliorent alors (apprentissage) la référence change ; si par contre la performance diminue, alors on considère que l’effet de l’apprentissage est minime devant l’influence de la baisse de vigilance.

Expériences 2 :

22On enregistre l’électroencéphalogramme de sujets dans 4 situations, chacune dure 5 mn : les yeux ouverts, les yeux fermés avec calcul mental, les yeux ouverts avec calcul, et lecture à voix haute. Ce qui nous a permis de caractériser chaque situation et aussi de mettre en évidence l’existence de sujets générateurs d’ondes alpha.

23Conclusion 2 : Écarter de nos expériences les sujets générateurs d’ondes alpha, faire les essais avec les yeux soit ouverts ou fermés, (les ondes alpha et mu sont fortement liées à l’état d’ouverture ou de fermeture des yeux).

Expériences 3 :

24Pour limiter l’influence de l’apprentissage et nous approcher d’une tâche de téléopération, nous avons réalisé une série d’essais avec une tâche comportant deux modes (figure 3) : un mode automatique où le sujet surveille l’évolution d’une cible sur l’écran et attend le moment d’intervenir (repérable par la sortie de la cible de sa trajectoire prédéfinie et accompagnée d’une perturbation en échelon de position), et un mode manuel (début du mode manuel, figure 2) où le sujet intervient en ramenant la mire au centre de l’écran. Une fois la mire au centre du cercle, ses déplacements sont ensuite autonomes jusqu’à l’arrivée d’une prochaine perturbation. Les essais durent 1 heure et 10 mn et comportent en moyenne 70 perturbations qui surviennent de manière imprévisible ; six sujets ont été étudiés.

Figure 2. Chronogramme d’un essai

25On enregistre les positions de la mire suivant les deux axes, les valeurs envoyées par le joystick, et le type de mode (automatique A ou manuel M). Ces données brutes permettent de calculer pour chaque perturbation : les temps de réaction, les durées de réaction, les temps de réponse, et les surfaces de courbes de réaction (voir figure 3).

Figure 3. Représentation en ordonnée de la distance, en pixels, entre le centre de l’écran et la position de la mire ; en abscisse le temps, en secondes, (t = 0 correspond à la fin du mode automatique)

26Le temps de réaction fluctue de manière instantanée, les valeurs sont moyennées sur 10 mn (figure 5), le test de Student montre une différence significative du temps de réaction sur les différentes périodes. Or le temps de réaction nous informe sur la rapidité avec laquelle le sujet réagit mais non sur son efficacité. Dans une tâche de télé opération il ne suffit pas de réagir vite mais en plus et surtout de bien réagir pour avoir un niveau de vigilance optimal. On calcule les temps de réponses qui correspondent au temps de réaction auquel on ajoute la durée de réaction.

Figure 4. Courbe des temps de réponse et des temps de réaction. Chaque point est la moyenne des valeurs sur 10 mn, mise en évidence de l’apprentissage et de la baisse de vigilance

Figure 5. Courbes des temps de réaction et des vitesses de la mire à l’écran à la première seconde de la réponse ; l’évolution de la vitesse et du temps de réaction vont dans le même sens

27La courbe de la figure 4 représente l’évolution des durées de réponse : nous obtenons une courbe en U ; sur la première branche de l’U (entre le début de l’essai et 30 mn) les temps de réponse décroissent. Cette augmentation de performance est due à l’apprentissage (le sujet réalise pour la première fois le test). Dans la seconde branche de l’U les temps de réponse augmentent, augmentation due à une baisse de vigilance. La courbe des temps de réaction montre un baisse de performance sur la totalité de l’essai et à partir des 10 premières minutes (absence d’apprentissage pour les temps de réaction) ; cette baisse de vigilance est masquée par l’apprentissage au niveau des temps de réponse sur les 30 premières minutes. L’étude des vitesses de la mire, des surfaces des courbes de réponse ne donne aucune information supplémentaire.

V – Conclusion

28Les premières expériences que nous n’avons que citées (pour plus de détail voir 10) nous ont montré les différences interindividuelles de performances des sujets, différences dues à l’âge, au sexe, à la personnalité, et des différences intra-individuelles (apprentissage, état global du sujet...), ce qui nous a poussé à changer la tâche en une tâche à apprentissage rapide. Sous l’effet des différences inter-individuelles, nous comparons les performances de chaque sujet par rapport à lui-même. Ainsi la vigilance du sujet est mesurée à partir de son temps de réponse.

29Nos prochaines expériences consistent à combiner la mesure de la perfonnance et les indices de l’EEG : l’évolution des différents pourcentages des ondes alpha, bêta, et thêta en fonction des temps de réponse sur la durée de la tâche.