Cours ENSTA A7-4 Véhicule du futur / Facteurs Humains Introduction aux FH, notions et méthodes Patrick Le Blaye Plan du cours A7-4 2 Date Heure Intitulé Ma 14/09/10 8h30 - 12h15 1. Introduction aux facteurs humains, notions et méthodes Patrick Le Blaye Ma 28/09/10 8h30 - 12h15 2. Outils formels, raisonnement et performance Laurent Chaudron Ve 08/10/10 8h30 - 12h15 3. Les mécanismes d'agentivité dans la supervision des systèmes fortement automatisés Bruno Berbérian Ve 15/10/10 8h30 - 12h15 4. Retour d'expérience, principes et application Nicolas Maille Ve 22/10/10 8h30 - 12h15 Évaluation A préciser ENSTA 2010 A7-4 Véhicule du futur / Facteurs Humains Intervenant Cours n°1 I. Introduction, relation avec la sécurité et définitions II. Notions et modèles généraux du fonctionnement humain III. Méthodes pour la prise en compte des facteurs humains 1. Dans l’élaboration d’un concept d’opération 2. Dans la conception d’un système embarqué 3. En laboratoire de recherche 3 ENSTA 2010 A7-4 Véhicule du futur / Facteurs Humains Cours n°1 I. Introduction, relation avec la sécurité et définitions II. Notions et modèles généraux du fonctionnement humain III. Méthodes pour la prise en compte des facteurs humains 1. Dans l’élaboration d’un concept d’opération 2. Dans la conception d’un système embarqué 3. En laboratoire de recherche 4 ENSTA 2010 A7-4 Véhicule du futur / Facteurs Humains Les facteurs humains pour vous ? 5 ENSTA 2010 A7-4 Véhicule du futur / Facteurs Humains Pourquoi les facteurs humains (FH) ? • Sécurité • Performance Efficacité Productivité Complexité Confort Acceptabilité Ergonomie 6 Automatisation ENSTA 2010 A7-4 Véhicule du futur / Facteurs Humains Utilisabilité Véhicule du futur et Sécurité… • Conduire un véhicule • Situation de conduite de processus à dynamique rapide • Sécurité = éviter des événements redoutés : • Accident : personne mortellement ou grièvement blessée, dommages nécessitant réparation importante • Incident : événement, autre qu'un accident, qui compromet ou pourrait compromettre la sécurité de l'exploitation • Incident grave : incident avec dommage ou blessure • Dans un environnement, un cadre réglementaire : • Organisation socio-technique • Système complexe • Maîtrise des risques 7 ENSTA 2010 A7-4 Véhicule du futur / Facteurs Humains La Sécurité dans l’aviation civile... • Taux d’accidents constant • Croissance du trafic (~5% an) • Un système « ultra sûr » mais vulnérable : • Médiatisation • Coût des accidents Source : R. Amalberti, La Recherche (1999) • Nécessiter de maîtriser les risques tout en assurant les performances attendues (économiques, opérationnelles). 8 ENSTA 2010 A7-4 Véhicule du futur / Facteurs Humains Le risque en fonction de l’activité Accidents très rares... mais très coûteux ! Pratiques amateurs Systèmes régulés Systèmes « ultra-sûrs » Peu de réglementation Formations et qualifications Culture de sécurité Retour d’expérience Industrie chimique VTT ULM 10-2 Route Aviation générale 10-3 Un accident pour 100 heures 9 Nucléaire ENSTA 2010 A7-4 Véhicule du futur / Facteurs Humains Train Aviation militaire 10-4 10-5 Aviation commerciale 10-6 Quelques enseignements des statistiques • Taux d’accidents • Fortement variable selon l’activité, le contexte, le type de véhicule et d’opération. • Inversement proportionnel au niveau de professionnalisation et de réglementation • Causes d’accidents • Les Facteurs Humains sont évoqués dans 3 accidents sur 4 dans l’aviation civile de transport. • Une autre part importante est attribuable aux Facteurs Humains en ‘amont’ • Corollaire : les Facteurs Humains sont au centre de la Sécurité 10 ENSTA 2010 A7-4 Véhicule du futur / Facteurs Humains Erreur humaine… ? • Erreur = écart à l’intention (Reason) • Une approche utopique: vouloir éliminer les erreurs • • • • L’erreur est inhérente à l’activité humaine Elle intervient dans la régulation de l’activité Elle participe à la construction de l’expertise L’automatisation aboutit à de nouveaux types d’erreurs • Un système sûr est un système sans accidents : • Éviter que les erreurs puissent conduire à l’accident. • Conception, certification, formation, entraînement, procédures… • Se donner les moyens de comprendre les erreurs. • Culture de sécurité, retour d’expérience • Nécessité de modèles: • Explication systémique… • Définition et types d’erreur… • Mécanismes de détection et de récupération 11 ENSTA 2010 A7-4 Véhicule du futur / Facteurs Humains Explication systémique de l’accident : le modèle de Reason (1990) « Sécurité en profondeur » Latent failures at the managerial level Psychological precursors Unsafe acts Réglementation Conception Defence in-depth Conditions latentes Formation Procédures 12 Accident ENSTA 2010 A7-4 Véhicule du futur / Facteurs Humains Aléas Conjonction d’événements Erreurs Violations Indisciplines Exemple de scénario d’accident : dimensions organisationnelle et temporelle Uberlingen, 1er juillet 2002 Absence d’harmonisation de procédures (responsabilité bord / sol) Maintenance de lignes téléphoniques et du système anti collision au sol H - 1 mois 13 H - 1 jour Collision Pause d’un contrôleur H - 1 hr ENSTA 2010 A7-4 Véhicule du futur / Facteurs Humains Trajectoires conflictuelles H - 10 mn Détection tardive au sol H - 2 mn Réactions contradictoires à bord H - 10 s H FH et véhicules du futur 14 • Des véhicules de plus en plus automatisés • Automatique ≠ Autonome • Rôle et Responsabilité des opérateurs ENSTA 2010 A7-4 Véhicule du futur / Facteurs Humains Quand s’intéresser aux facteurs humains ? • En conception • Nouveau concept • Nouveau véhicule • Nouveau système • En opération • • • • Formation et qualification des utilisateurs Amélioration des conditions de travail Gestion de la sécurité Retour d’expérience • En recherche • Mécanismes fondamentaux • Recherche appliquée • Expérimentations 15 ENSTA 2010 A7-4 Véhicule du futur / Facteurs Humains Facteurs Humains… Mécanismes dont la connaissance permet d’expliquer et d’anticiper le fonctionnement mental et physiologique d’un individu ou d’un groupe en situation de travail 16 ENSTA 2010 A7-4 Véhicule du futur / Facteurs Humains Ergonomie… • Gr. Ergon [travail] + nommos [loi] = ‘science du travail’ • L’ergonomie est la mise en œuvre des connaissances scientifiques relatives à l'homme et nécessaires pour concevoir des outils, des machines et des dispositifs qui puissent être utilisés par le plus grand nombre avec le maximum de confort, de sécurité et d'efficacité. • Ensemble de techniques et méthodes • Ergonomie physique mais aussi cognitive L’Ergonomie est un métier 17 ENSTA 2010 A7-4 Véhicule du futur / Facteurs Humains L’ingénieur et les Facteurs Humains… • Comprendre les spécificités (possibilités et limitations) du comportement humain et les prendre en compte (conception des systèmes, formation des opérateurs, organisation et conduite des opérations). • Une approche multi disciplinaire : Sciences humaines Sciences de l’ingénieur Physique Mécanique Automatique Informatique Facteurs Humains Psychologie Physiologie Sociologie Médecine Connaissances du domaine Métiers et compétences Milieu opérationnel Règlementation 18 ENSTA 2010 A7-4 Véhicule du futur / Facteurs Humains Cours n°1 I. Introduction, relation avec la sécurité et définitions II. Notions et modèles généraux du fonctionnement humain III. Méthodes pour la prise en compte des facteurs humains 1. Dans l’élaboration d’un concept d’opération 2. Dans la conception d’un système embarqué 3. En laboratoire de recherche 19 ENSTA 2010 A7-4 Véhicule du futur / Facteurs Humains L’être humain… • Capacités limitées • Ne peut faire qu'une chose à la fois • Capacités d'apprentissage • Trouver des solutions nouvelles • Faire face à l'incertitude • Gérer les situations complexes • Gérer le risque Un « animal diurne à sang chaud », avec des besoins physiologiques et des motivations sociales, bien loin d’une machine !!! 20 ENSTA 2010 A7-4 Véhicule du futur / Facteurs Humains Tâche et Activité Tâche : Ensemble constitué par la machine, les performances exigées, les procédures prescrites et les connaissances supposées nécessaires. Activité : Activités mentales ou physiques de l’opérateur observées ou inférées lorsqu’il accomplit une tâche. 21 ENSTA 2010 A7-4 Véhicule du futur / Facteurs Humains Ce que je sais Code Ce que je fais Le traitement des informations Un e Raisonnement Perception Mémoire Action 22 ENSTA 2010 A7-4 Véhicule du futur / Facteurs Humains vu e si m pl is te La prise de décision • Mécanismes par lesquels on comprend une situation puis on choisit une solution pour atteindre l’objectif recherché Prise de décision « théorique » Nouvelle situation COMPRÉHENSION Hypothèse En réalité la décision est complexe : • Pression temporelle • Informations incomplètes, incertaines ou conflictuelles • Gestion des risques 23 ENSTA 2010 A7-4 Véhicule du futur / Facteurs Humains Hypothèse Hypothèse CHOIX Solution Source J.-Y. Grau, 2002 La gestion du risque Une solution n’est valable que si son niveau de risque est jugé acceptable par l’individu Risque perçu Évaluation du danger et probabilité d’échec Risque accepté Utilité et bénéfice escompté Un équilibre délicat : - sous évaluation des risques - sur évaluation de ses capacités 24 ENSTA 2010 A7-4 Véhicule du futur / Facteurs Humains Les biais à la décision et au risque Groupe – organisation Facteurs socio-collectifs Conformité Individu Tâche Charge de travail Pression temporelle 25 ENSTA 2010 A7-4 Véhicule du futur / Facteurs Humains Personnalité Fatigue / Stress Expérience Évaluation de la fréquence des événements rares Habitude Persévération Confirmation La représentation mentale • Construire une image simplifiée de la situation pour atteindre l’objectif… Connaissances Intention Représentation mentale propre à chaque individu Décision Action • Conscience de Situation - Situation Awareness (Endsley, 1995) 1) Perception des éléments de l’environnement 2) Compréhension de leur signification 3) Projection de leur état futur 26 ENSTA 2010 A7-4 Véhicule du futur / Facteurs Humains La charge de travail • Part des ressources attentionnelles investies pour percevoir, raisonner, décider et agir. 0 100 % Sous charge : ennui, défaut de vigilance Sentiment de facilité : maîtrise de la situation Surcharge : maîtrise pénible Perte Rupture de de contrôle performance imminente : et/ou impasses de sécurité • La charge de travail est régulée en fonction des exigences de la tâche et de ses capacités propres. • Compromis opératoire entre effort et performance. 27 ENSTA 2010 A7-4 Véhicule du futur / Facteurs Humains Le stress • Un concept abstrait : facteurs et effets objectifs / subjectifs • Différents facteurs de stress : psycho-social, environnemental, cognitif • Forte variabilité des réponses individuelles • Loi de Yerkes & Dodson (1908) Performance Tâche simple Tâche complexe Activation / Stress 28 ENSTA 2010 A7-4 Véhicule du futur / Facteurs Humains Fonctionnement cognitif : le modèle de Rasmussen (1986) 3 niveaux de fonctionnement: Habitudes (Skills) Règles (Rules) Connaissances (Knowledge) 29 ENSTA 2010 A7-4 Véhicule du futur / Facteurs Humains Fonctionnement cognitif et types d’erreurs Erreurs de connaissance (mistakes) Simplification excessive Sur confiance Biais de confirmation Biais d’occurrence Erreurs de routine (slips, lapsus) Omission Répétition Inversion 30 ENSTA 2010 A7-4 Véhicule du futur / Facteurs Humains A retenir... • Complexité des mécanismes cognitifs • Variabilité intra et inter individuelle • Challenge des Facteurs Humains : prendre en compte cette variabilité dans la conception 31 ENSTA 2010 A7-4 Véhicule du futur / Facteurs Humains Cours n°1 I. Introduction, relation avec la sécurité et définitions II. Notions et modèles généraux du fonctionnement humain III. Méthodes pour la prise en compte des facteurs humains 1. 2. 3. 32 Dans l’élaboration d’un concept d’opération Dans la conception d’un système embarqué En laboratoire de recherche ENSTA 2010 A7-4 Véhicule du futur / Facteurs Humains Les FH dans la conception système ? • Opérateurs humains en charge de la conduite: rôle et responsabilité • Des systèmes techniques, de plus en plus fortement automatisés • De nouveaux systèmes interactifs dans les postes de conduite • Quelques exemples de concepts et systèmes qui ont fait date ? • Ergonomie de conception • Nombreuses normes et recommandations disponibles • Difficultés induites par les nouvelles technologies et l’automatisation • Quelle approche de conception ? • Techno centrée (on automatise tout ce qui est possible, advienne que pourra) • Anthropo centrée (on favorise la satisfaction de l’opérateur, au détriment de la performance opérationnelle) • Hybride (pragmatique, fondée sur l’existant, centrée sur les besoins, assurant cohérence entre responsabilité, rôle et tâche) ? 33 ENSTA 2010 A7-4 Véhicule du futur / Facteurs Humains La « conception » peut avoir plusieurs objets.. Un nouveau concept d’opération Un nouveau véhicule Un nouvel équipement Le retrofit d’un véhicule ou équipement 34 ENSTA 2010 A7-4 Véhicule du futur / Facteurs Humains …mais se fait toujours sous fortes contraintes • Économiques : faire moins cher, avec moins de personnel et moins de formation • Commerciales : marché potentiel, image de marque • Technologiques : parfois en excès • Opérationnelles : toujours plus vite, plus loin • Utilisabilité et Sécurité : en dernier lieu ?! 35 ENSTA 2010 A7-4 Véhicule du futur / Facteurs Humains Cours n°1 I. Introduction, relation avec la sécurité et définitions II. Notions et modèles généraux du fonctionnement humain III. Méthodes pour la prise en compte des facteurs humains 1. 2. 3. 36 Dans l’élaboration d’un concept d’opération Dans la conception d’un système embarqué En laboratoire de recherche ENSTA 2010 A7-4 Véhicule du futur / Facteurs Humains Exemples de nouveaux concepts d’opération… • Délégation de tâches des contrôleurs aériens aux avions • Insertion de drones dans l’espace aérien • Convois de véhicules automobiles www.cartech.fr 37 ENSTA 2010 A7-4 Véhicule du futur / Facteurs Humains Le « HF case » (Eurocontrol, 2007) • Une méthodologie de référence pour les évaluations de nouveaux concepts de gestion du trafic aérien • Un processus structuré pour: • Identifier les problèmes FH associées à un nouveau concept. • Déterminer l’impact potentiel si ces problèmes ne sont pas correctement pris en compte. • Proposer des stratégies pour traiter ces problèmes et leur impact potentiel. • Cinq étapes: 38 ENSTA 2010 A7-4 Véhicule du futur / Facteurs Humains HF Issues Analysis Identifier les aléas à prendre en compte 6 grandes catégories Entretiens et Ateliers dirigés, avec des experts des différentes disciplines. 39 ENSTA 2010 A7-4 Véhicule du futur / Facteurs Humains HF Issues Analysis • Pour chaque catégorie, identification des aléas possibles • Ces aléas sont formulés sous la forme de “What-if”. • Pour chaque aléa, l’analyse identifie : 1) l’impact sur la performance humaine, 2) l’impact sur le système, 3) les résolutions possibles. 40 ENSTA 2010 A7-4 Véhicule du futur / Facteurs Humains HF Impacts Impacts en terme de Facteurs Humains. Acceptabilité Charge de travail Confort Confiance Erreur Stress Modification des compétences Conscience de situation 41 ENSTA 2010 A7-4 Véhicule du futur / Facteurs Humains Processus cognitifs Fatigue Satisfaction Motivation Plan d’action FH • En fonction des résultats de la HFIA • Aboutit généralement à un programme d’essais, avec recours à la simulation • Méthodes de conception centrées opérateur… 42 ENSTA 2010 A7-4 Véhicule du futur / Facteurs Humains Cours n°1 I. Introduction, relation avec la sécurité et définitions II. Notions et modèles généraux du fonctionnement humain III. Méthodes pour la prise en compte des facteurs humains 1. 2. 3. 43 Dans l’élaboration d’un concept d’opération Dans la conception d’un système embarqué En laboratoire de recherche ENSTA 2010 A7-4 Véhicule du futur / Facteurs Humains Principes de la conception centrée opérateur • Travaux fondateurs : • Schneiderman, B. (1982) How to Design With the User in Mind. Datamation 28, no. 4: 125–126. • Norman, D.A. & Draper, S.W. (1986) User Centered System Design: A new perspective on Human-Computer Interaction. Lawrence Erlbaum & Associates, Hillsdale, N.J. • Billings, C.E. (1991). Human-Centered Aircraft Automation: A Concept and Guidelines. NASA Technical Memorandum 103885. Moffett Field, CA: NASA-Ames Research Center. • La conception centrée opérateur se caractérise par : • la participation active des utilisateurs et une compréhension claire des exigences liées à l’utilisateur et à la tâche; • une répartition appropriée des fonctions entre les utilisateurs et la technologie; • l’itération des solutions de conception; • une conception pluridisciplinaire. 44 ENSTA 2010 A7-4 Véhicule du futur / Facteurs Humains Cycle de conception centrée opérateur Norme ISO 13407 (1999) 1) 2) 4) 3) 45 ENSTA 2010 A7-4 Véhicule du futur / Facteurs Humains Démontrer l’acceptabilité d’un système : le processus de certification • L’ensemble des actions qui permettent aux Autorités que le produit satisfait, dans son ensemble et dans chacune de ses parties constituantes, à un ensemble de conditions techniques préalablement définies par les Autorités. Le « Règlement applicable » Autorités de certification Spécifications de certification Moyens de conformité Conditions spéciales « Programme de certification » Équipe Maquettes Simulations Essais Le « Certificat de Navigabilité » 46 ENSTA 2010 A7-4 Véhicule du futur / Facteurs Humains Équipements Manuel d’emploi • Fiabilité / sûreté de fonctionnement • Fiabilité des systèmes techniques et méthodes d’analyse de la fiabilité humaine (HRA) • Analyse exhaustive, quantitative, avec ambition prédictive • Cherche comportement moyen, paramètres invariants,… Performance Deux approches complémentaires Population ? • Basée sur expertise (équipe d’essai) • Analyse par « points de suspicion » • Fonction du degré d’intégration, de nouveauté et de complexité • Détection et récupération des erreurs • Mise en place de barrières (limitation d’emploi, procédure, filet de sauvegarde...) Performance • Approche de certification FH Population ? 47 ENSTA 2010 A7-4 Véhicule du futur / Facteurs Humains ? Approche technique : fiabilité • Condition de défaillance = effet sur le système et sur la capacité de l’opérateur à remplir son rôle • Un consensus: risque = sévérité x probabilité d’occurrence • Points clefs: • classification de la sévérité • seuils de probabilité 48 ENSTA 2010 A7-4 Véhicule du futur / Facteurs Humains Approche technique : fiabilité Erreur humaine 10-5 Occurrence Conséquence Fréquente Rare 10-7 10-9 Extrêmement rare Mineure Majeure Critique Catastrophique Méthodes classiques d’analyse des risques Démonstration par essais répétitifs Difficilement transposable aux Facteurs Humains : • sensibilité aux conditions • quantité d’erreurs potentielles 49 ENSTA 2010 A7-4 Véhicule du futur / Facteurs Humains Extrêmement improbable La démarche de certification FH • Objectifs : • Conformité (performance minimale requise) • Mise en situation (extrapolation aux conditions opérationnelles) • Etape préalable : conformité du système (fiabilité) • Spécificité de l'évaluation FH : • • • • • • 50 Des spécifications abstraites plutôt que concrètes Fort recours à l’expertise Contrôle du processus, pas seulement du résultat Composante statique par rapport aux références réglementaires Composante dynamique par mise en situation Difficultés de la collecte des données et de leur interprétation ENSTA 2010 A7-4 Véhicule du futur / Facteurs Humains Exemple : certification de « viseur tête haute » • Clutter ‘cognitif ’ / focalisation d’attention • Symboles intuitifs… une fois assimilés • Demande un savoir-faire particulier • Difficulté du monitoring en équipage à 2 • Difficultés des simulations et des essais : • Réalisme du visuel • Visible par un seul membre d’équipage 51 ENSTA 2010 A7-4 Véhicule du futur / Facteurs Humains Points de suspicion identifiés • A évaluer en statique : 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 52 Collimation Champ de vision et boîte à œil Caractéristiques générales de la symbologie Cohérence des sources Affichage des pannes Positionnement du pilote Réglage de la luminosité ENSTA 2010 A7-4 Véhicule du futur / Facteurs Humains • A évaluer en situation dynamique: 1. Interprétation des symboles 2. Compatibilité tête basse 3. Logique et affichage des modes, confusion des modes 4. Clutter 5. Performance du pilotage 6. Usage en manœuvres rapides 7. Représentation spatiale du pilote 8. Utilisation pour le pilotage des transitions 9. Charge de travail induite 10. Partage des informations, monitoring et interactions cockpit 11. Intégration en opération Conclusion sur cet exemple • Évaluation spécifique et délicate • Nombreux points de suspicion FH à évaluer • Évaluation impérative dans le contexte d’emploi • Tendance à étendre le domaine d’emploi de l’équipement, souvent en avance par rapport à la réglementation 53 ENSTA 2010 A7-4 Véhicule du futur / Facteurs Humains Cours n°1 I. Introduction, relation avec la sécurité et définitions II. Notions et modèles généraux du fonctionnement humain III. Méthodes pour la prise en compte des facteurs humains 1. 2. 3. 54 Dans l’élaboration d’un concept d’opération Dans la conception d’un système embarqué En laboratoire de recherche ENSTA 2010 A7-4 Véhicule du futur / Facteurs Humains La méthodologie de conduite des expérimentations FH • Une procédure contrôlée (en laboratoire) • Étapes essentielles : 1. 2. 3. 4. Problématique et formulation d’hypothèses Définition d’un protocole expérimental Passation et recueil des données Traitement des données 1. Statistiques descriptives 2. Statistiques inférentielles 5. Interprétation et discussion des résultats • 55 Un exemple dans le cours « agentivité »… ENSTA 2010 A7-4 Véhicule du futur / Facteurs Humains En conclusion de ce cours n°1… • Problématiques actuelles: • Sécurité et performance • Nouveaux concepts d’opération • Automatisation et nouvelles technologies • Différentes méthodes selon le niveau de conception • Complémentarité entre approches techniques et centrées opérateurs 56 ENSTA 2010 A7-4 Véhicule du futur / Facteurs Humains Ouvrages généraux • Amalberti, R. (1996) La conduite des systèmes à risques. PUF. • Bourrier, M. et al. (2001). Organiser la fiabilité. L’Harmattan. • Leplat, J., & de Terssac, G. (1990). Les Facteurs Humains de la Fiabilité dans les Systèmes Complexes. Octares, Toulouse. • Howell, D.C. (1998). Méthodes statistiques en sciences humaines. Traduction M. Rogier. Ed. De Boeck. • Chanquoy L. (2005). Statistiques appliquées à la psychologie et aux sciences humaines et sociales. Ed. Hachette. Isbn 2-01-145699-1 57 ENSTA 2010 A7-4 Véhicule du futur / Facteurs Humains Quelques références en aéronautique • Bainbridge, L. (1987). Ironies of automation. In J. Rasmussen, K.D. Duncan and J. Leplat (Eds.), New technology and human error, pages 271-284. Chiester, UK : Wiley, 1987. • Wiener, E.L. & Nagel, D.C. (1989). Human Factors in Aviation. Academic Press. • Sarter, N.B., Woods, D.D. (1992). Pilot interaction with cockpit automation: Operational experiences with the flight management system. International Journal of Aviation Psychology, 2(4), 303-321. • FAA (1996). The Interfaces Between Flightcrews and Modern Flight Deck Systems. U.S. Department of Transportation, Federal Aviation Administration Human Factors Team. June 18, 1996. • Billings, C.E. (1997). Aviation automation: the search for a human−centred approach. New Jersey: Lawrence Erlbaum Inc. • Moricot C. (1997). Des avions et des hommes. Lille, Presses Universitaires du Septentrion. • UK CAA (2002). Fundamental Human Factors Concepts. http://www.caa.co.uk/docs/33/CAP719.PDF 58 ENSTA 2010 A7-4 Véhicule du futur / Facteurs Humains