Au sein du poste de pilotage, le sursaut et la surprise sont fréquemment identifiés pour leurs effets délétères sur les membres d'équipage. Ces phénomènes ont joué un rôle déterminant dans de nombreux accidents, à l'instar du vol AF 447 pour lequel une mauvaise gestion de l'effet de surprise a gravement altéré la maîtrise de la trajectoire et la compréhension de la situation par les pilotes. Bien que le monde de l'aviation utilise souvent ces termes indistinctement sous l'expression « startle effect », ils désignent deux mécanismes distincts. Le sursaut est un réflexe défensif face à un stimulus soudain et intense. Il prépare l'organisme à la fuite ou à la confrontation et se traduit par une augmentation du rythme cardiaque ainsi que de la tension musculaire. Ces effets, pouvant durer jusqu'à une minute, sont susceptibles d'affecter les capacités motrices et cognitives. À l'inverse, la surprise est une émotion résultant d'une disparité entre les attentes d'un individu et sa perception réelle. Elle peut survenir à la suite d’un stimulus ou en raison de l'absence d'un événement attendu. Dans le cockpit, la surprise est relativement courante et peut être ou non concomitante au sursaut. Malgré leur importance, l'interaction entre ces deux phénomènes demeure largement sous étudiée dans la littérature scientifique. Comprendre ces mécanismes, évaluer leurs conséquences et concevoir des méthodes de mitigation représente le cœur de ce travail de recherche.
Dans un premier temps, nous nous sommes attachés à caractériser les conséquences séparées et combinées du sursaut et de la surprise lors d'une tâche de pilotage simulée. Nos résultats démontrent que la combinaison de ces phénomènes engendre un effet significativement plus marqué que lorsqu'ils sont isolés, tant sur les paramètres physiologiques que comportementaux. Ces travaux ont également permis la constitution d'un jeu de données physiologiques, ouvrant la voie à une détection automatique de ces états par intelligence artificielle.
Dans un second temps, nous présentons FOCUS (Flight Operational Companion for Unexpected Situations), un assistant intelligent conçu pour apporter un soutien aux équipages confrontés à un événement inattendu. La réalisation d’entretiens et d’ateliers de conception avec des pilotes a permis d'affiner le système et d'approfondir la compréhension de l'interaction entre l'humain et la machine. L’efficacité de ce dispositif a été évaluée au cours d'un scénario de vol complexe, spécifiquement élaboré pour induire les stimuli nécessaires au déclenchement du sursaut et de la surprise chez les participants. L'assistant FOCUS s'appuie sur une détection automatisée fondée sur l'analyse du rythme cardiaque, de la fréquence respiratoire et de l'activité électrodermale. Une fois l’état identifié, cet outil déploie un double mécanisme de soutien : il accompagne les pilotes dans la régulation de leur stress et renforce leur conscience de la situation. Pour ce faire, il dirige le regard vers tout changement critique des paramètres de vol qui n'aurait pas été identifié.
En conclusion, ce travail de thèse propose une compréhension plus fine du sursaut et de la surprise tout en offrant une solution de soutien actif. En visant l'augmentation de la résilience des équipages, cette étude contribue à l'amélioration globale de la sécurité des vols. |
Within the cockpit, startle and surprise are frequently identified for their detrimental effects on crew members. These phenomena have played a decisive role in numerous accidents, such as flight AF 447, for which poor management of the surprise effect severely impaired the pilots' control of the trajectory and their situational awareness. Although the aviation world often uses these terms interchangeably under the expression "startle effect", they designate two distinct mechanisms. Startle is a defensive reflex triggered by a sudden and intense stimulus. It prepares the organism for fight or flight and results in an increased heart rate as well as muscle tension. These effects, which can last up to a minute, are liable to impair motor and cognitive abilities. Conversely, surprise is an emotion resulting from a disparity between an individual's expectations and their actual perception. It can occur following a stimulus or due to the absence of an expected event. In the cockpit, surprise is relatively common and may or may not be concomitant with startle. Despite their importance, the interaction between these two phenomena remains largely understudied in the scientific literature. Understanding these mechanisms, evaluating their consequences and designing mitigation methods represent the core of this research work.
First, we focused on characterizing the separate and combined consequences of startle and surprise during a simulated flying task. Our results demonstrate that the combination of these phenomena generates a significantly more pronounced effect than when they are isolated, on both physiological and behavioral parameters. This work also allowed the creation of a physiological dataset, paving the way for the automatic detection of these states using artificial intelligence.
Second, we present FOCUS (Flight Operational Companion for Unexpected Situations), an intelligent assistant designed to provide support to crews facing an unexpected event. Conducting interviews and design workshops with pilots made it possible to refine the system and deepen the understanding of the interaction between humans and machines. The effectiveness of this device was evaluated during a complex flight scenario, specifically developed to induce the necessary stimuli to trigger startle and surprise in the participants. The FOCUS assistant relies on automated detection based on the analysis of heart rate, respiratory rate and electrodermal activity. Once the state is identified, this tool deploys a dual support mechanism: it assists the pilots in regulating their stress and enhances their situational awareness. To achieve this, it directs their gaze towards any critical change in flight parameters that might have gone unnoticed.
In conclusion, this thesis work offers a more detailed understanding of startle and surprise while providing an active support solution. By aiming to increase crew resilience, this study contributes to the overall improvement of flight safety. |