L’activité de pilotage implique une étroite collaboration entre les pilotes. En effet,même si ceux-ci partagent un espace co-localisé, leur besoin en matière de conscience mutuelle correspond davantage à une collaboration à distance. Compte tenu de la séparation des tâches, ils doivent agir et regarder dans des directions parfois opposées tout en assurant une bonne coordination de l'activité globale. La parole, l’expressivité gestuelle et la disposition des contrôleurs physiques sont des moyens importants pour transmettre les informations utiles à la conscience mutuelle de la situation au sein du poste de pilotage.Cependant, dans les postes de pilotage des avions de ligne, les écrans tactiles sont en train progressivement de remplacer les contrôleurs physiques. Malgré les nombreux avantages des interactions tactiles et des affichages dynamiques, cela génère un problème dans le partage des informations transmises par les gestes entre les deux pilotes. Les gestes sont à la fois moins perceptibles et moins compréhensibles. L’objectif de ce travail de thèse est de combler ce déficit d'information en proposant un moyen de représenter, à même l'interface numérique tactile, les bonnes propriétés des gestes physiques, et ceci afin de préserver la capacité des pilotes à se coordonner.Pour cela, nous proposons la conception d’un système de représentation graphique permettant de suppléer les gestes effectués par les pilotes sur l'interface tactile. A partir de la littérature spécialisée et d’une analyse de l’activité gestuelle, nous avons identifié neuf informations produites par les gestes physiques et qui doivent idéalement être reproduite dans l'interaction avec l'interface numérique tactile. En complément, nous avons mené un état de l’art sur les représentations des gestes. Nous proposons une représentation iconique et abstraite en rupture avec les représentations basées sur la morphologie de la main. Des représentations ont été conçues et évaluées par des pilotes lors d’ateliers participatifs. Notre travail montre une nouvelle manière de représenter les gestes et permet d’identifier les informations recherchées par les pilotes afin qu'ils soient en capacité d'assurer leur conscience mutuelle. Par ailleurs, il apparait que les représentations des gestes ont des statuts d’importances différentes selon la situation, allant parfois jusqu’à être inutiles.

Dans un contexte de besoins croissants de moyens de communication pour augmenter la sécurité des vols et répondre aux attentes des compagnies et des passagers, le monde de l’aviation civile cherche de nouveaux systèmes de communication pouvant répondre à ces objectifs. Les systèmes de communication sol-bord existants, que ce soit les solutions par satellites en bande L (SATCOM, ...) ou les solutions cellulaires par liaison directe avec le sol (HF, VHF, ...), présentent des limites en terme de capacité, de couverture et de coût. La proposition avancée dans le cadre de cette thèse est d’utiliser les avions comme relais afin de propager les données jusqu’à une station sol. Ce système peut être vu comme un réseau ad hoc mobile dont les nœuds sont les avions civils en vol. Grâce à plusieurs sauts successifs au travers d’avions relais, chaque avion doit pouvoir joindre le sol sans être à portée directe d’une station. Le réseau ad hoc ainsi formé peut ensuite être utilisé pour différentes classes de communications : contrôle aérien, services pour les compagnies aériennes ou pour les passagers. Une telle solution permettrait d’améliorer la couverture des solutions cellulaires classiques en zone continentale. Elle est également applicable en zone océanique où les seuls moyens disponibles sont actuellement le satellite et la HF. On peut imaginer que les coûts de déploiement et de maintenance seraient relativement bas puisque l’infrastructure sol est limitée. Dans cette thèse, nous avons étudié la faisabilité puis les performances qui peuvent être attendues pour ce système de communication aéronautique innovant.

Le SGS (Système de Gestion de la Sécurité) est présenté dans l'aviation comme l'approche la plus prometteuse pour améliorer la sécurité. Pourtant, son efficacité perçue en tant qu'approche de management de la sécurité est mitigée. Cette thèse explore comment le SMS a été adopté dans l'aviation dans les années 2010, comme un changement radical dans le management de la sécurité et un moyen de réduire les occurrences d'accidents. Plus précisément, deux questions sont abordées : Comment le SGS de l'aviation tient-il ses promesses en matière de sécurité ? Comment le SGS a-t-il atterri dans l'aviation ?Sur la base d'une revue de littérature et d'une analyse des guides et outils pour le SGS produits par les autorités de l'aviation civile de trois régions représentatives, différentes philosophies du SGS sont mises en évidence : d'une approche basée sur la conformité, s'appuyant fortement sur une customisation minimale de documents génériques mis à disposition par les autorités, à une approche réflexive amenant les organisations aéronautiques à réfléchir sur leurs propres pratiques et à proposer leurs propres mesures pour gérer au mieux la sécurité.Une analyse critique de la manière dont le SGS tient ses promesses est alors effectuée. Elle passe en revue des raccourcis conceptuels (ex : confusion entre sécurité et SGS ; assimilation de la sécurité à la gestion des risques), les écueils méthodologiques, et les biais introduits par la mise en œuvre pratique du SGS.Pourtant, malgré ces limites, le SGS a été massivement adopté dans les industries à haut risque. Une recherche complémentaire s’imposait pour dépasser ce constat. Elle a été réalisée au moyen d'une approche socio-historique combinant l'analyse de traces écrites et l'interview de 18 ‘anciens’ du management de la sécurité déjà acteurs du domaine au moment de l'émergence et de la diffusion du SGS (fin des années 70 à 90 essentiellement). Cette analyse met en évidence les motivations des différents acteurs de la sécurité à changer d’approche de management de la sécurité, allant de l'amélioration de la performance globale, à des enjeux de responsabilité et de transparence. Elle souligne également le rôle du contexte global dans la convergence vers une approche de type SGS, en particulier : l'élan sociétal vers le New Public Management basé sur la gestion des risques et les audits généralisés ; la diffusion des systèmes de management de la qualité dans l’industrie. Enfin, l’histoire des idées autour du management de la sécurité est explorée. Elle souligne le rôle des communautés, en particulier des communautés de pratique au sein des industries, des communautés d'utilisateurs et des communautés scientifiques, ainsi que celui de certains individus et mécanismes qui ont favorisé la transversalité entre communautés. Au final, le SGS s'avère être l'émanation d'un contexte complexe mêlant de multiples aspects interdépendants.Ces constats conduisent à proposer trois voies à explorer, allant crescendo dans leur décalage avec les pratiques actuelles : 1/ Une extension du cadre, de l’horizon temporel et de la portée de l'analyse des risques, et des méthodes de travail plus inclusives dans le processus de gestion des risques ; 2/ Une extension de la définition de la sécurité au-delà de la gestion des risques reconnaissant l'incertitude, et le développement de capacités à faire face aux inévitables imprévus. Cela implique une flexibilité des modes d’action et de décision pour s’adapter aux situations et par suite, une évolution des modèles de gouvernance vers des modèles plus contextualisés et plus inclusifs ; 3/ Dépasser le périmètre de la sécurité pour mieux la manager, en appréhendant la complexité du contexte global et les multiples enjeux avec lesquels elle interagit. Par ailleurs, aborder la question des enjeux multiples sous un angle favorisant les synergies entre eux plutôt les tensions. Cela passe notamment par une révision des modes de gouvernance et structures organisationnelles.

Le travail effectué au cours de cette thèse tente d’apporter une solution algorithmique à la problématique de l’estimation de l’état d’un mini-drone en vol qui soit compatible avec les exigences d’embarquabilité inhérentes au système. Il a été orienté vers les méthodes d’estimation non linéaire à base de modèles. Les algorithmes d’estimation, d’état ou de paramètres, et de contrôle apparaissent primordiaux, lorsque la technologie des capteurs et des actionneurs, pour des raisons de coût et d’encombrement essentiellement, ne permet pas de disposer de capacités illimitées. Ceci est particulièrement vrai dans le cas des micro- et des mini-drones. L’estimation permet de fusionner en temps réel les informations imparfaites provenant des différents capteurs et de fournir une estimation, par exemple de l’état du drone (orientation, vitesse, position) au calculateur embarqué où sont implémentés les algorithmes de commande de l’engin. Ce contrôle de l’appareil doit garantir sa stabilité en boucle fermée quelque soit l’ordre de consigne fourni directement par l’opérateur ou par tout système automatique de gestion du vol et assurer que celle-ci soit correctement recopiée. Estimation et commande participent donc grandement au succès de toute mission. Une dimension extrêmement importante qui a conditionné les travaux entrepris tout au long de cette thèse concerne la capacité d’emport des mini-drones que nous considérons. En effet, celle-ci, relativement limitée, et couplée à la volonté de ne pas grever les budgets de développement de tout mini-drone, autorise uniquement l’intégration de matériels dits bas-coûts. Malgré les progrès significatifs de la miniaturisation et l’augmentation continuelle des capacités de calcul embarqué (loi de Moore), les mini-drones d’intérêt considérés ici n’embarquent donc que des capteurs aux performances limitées dans un contexte où cette catégorie d’engins autonomes est amenée à être de plus en plus fréquemment exploitée pour remplir des missions elles-mêmes toujours plus nombreuses. Celles-ci requièrent notamment que de tels drones puissent de manière sûre s’insérer et partager l’espace aérien civil moyennant le passage d’une certification de leur vol au même titre que pour les avions de transport des différentes compagnies aériennes. Dès lors, face à cet enjeu de sécurisation des vols de mini-drones, la consolidation de la connaissance de l’état de l’aéronef par des techniques d’estimation devient un tâche essentielle pour en assurer le contrôle, y compris en situations dégradées (pannes capteurs, perte occasionnelle de signaux, bruit et perturbations environnantes, imperfections des moyens de mesure, etc). Tenter de répondre à cet enjeu conduit naturellement le chercheur à s’attaquer à des problèmes relativement nouveaux, en tout cas pas forcément aussi proches de ceux qui se posent dans le secteur de l’aéronautique civile ou militaire, où le système avionique est sans commune mesure avec celui sur lequel nous avons travaillé dans cette thèse. Ce travail à tout d’abord consisté à définir une modélisation dynamique descriptive du vol des mini-drones étudiés, suffisamment générique pour être appliquée à différents types de minidrones (voilure fixe, multirotor, etc). Par la suite, deux algorithmes d’estimation originaux, dénommés IUKF et -IUKF, exploitant ce modèle, ont été développés avant d’être testés en simulation puis sur données réelles pour la version -IUKF. Ces deux méthodes transposent le cadre générique des observateurs invariants au cas de l’estimation non linéaire de l’état d’un système dynamique par une technique de type Unscented Kalman Filter (UKF) qui appartient à la classe plus générale des algorithmes de filtrage non linéaire de type Sigma Point (SP). La solution proposée garantit un plus grand domaine de convergence de l’estimé que les techniques plus traditionnelles. Elle sera à l’avenir intégrée à l’avionique des mini-drones de l’ENAC et le code informatique est d’ores et déjà disponible sous Paparazzi.

Les visualisations de données permettent de transmettre de l’information aux utilisateurs. Pour explorer et comprendre les données, les utilisateurs sont amenés à interagir avec ces visualisations. Toutefois, l’interaction avec les visualisations modifie le visuel. Pour éviter des changements brusques et garder l’utilisateur focalisé sur les objets graphiques d’intérêt, des transitions visuelles sont nécessaires pour accompagner les modifications de la visualisation. Ces transitions visuelles peuvent être codées sous la forme d’animations, ou de techniques qui permettent de faire des correspondances, ou des liens avec des données représentées sur plusieurs affichages. Le premier objectif de cette thèse était d’étudier les bénéfices et les propriétés des animations pour l’exploration et la compréhension de grandes quantités de données multidimensionnelles. Nous avons établi en conséquence une taxonomie des transitions animées en visualisation d’information basée sur les tâches des utilisateurs. Cette taxonomie a permis de constater qu’il n’existe pas de contrôle utilisateur sur la direction des objets durant l’animation. Nous avons donc proposé des interactions pour le contrôle de la direction des objets graphiques lors d’une transition animée. D’autre part, nous avons étudié une technique de transition animée mettant en jeu une rotation 3D entre visualisations. Nous avons identifié les avantages qu’elle pouvait apporter et en avons proposé une amélioration. Le second objectif était d’étudier les transitions visuelles dans le domaine du Contrôle du Trafic Aérien. En effet, les contrôleurs utilisent de nombreuses visualisations qui comportent des informations étalées et dupliquées sur plusieurs affichages: l’écran Radar, le tableau de strips, des listes spécifiques d’avions (départ, arrivées) etc. Ainsi dans leur activité, les Contrôleurs Aériens réalisent des transitions visuelles en recherchant et en reliant de l’information à travers les différents affichages. Nous avons étudié comment les animations pouvaient être utilisées dans le domaine du contrôle aérien en implémentant un prototype d’image radar regroupant trois visualisations usuelles pour instrumenter l’activité de supervision du trafic aérien.

En 2016, le nombre de décès dus aux accidents de la route atteignait 1,35 million, et ces accidents sont souvent imputable à l’erreur humaine. L'expansion technologique d'Internet et des réseaux interconnectés facilitent l'échange d'informations, parfois vitales. C'est pourquoi beaucoup de travaux ont été produit sur l'automatisation des véhicules. L’amélioration de la sécurité routière est l'un des facteurs qui motive la recherche dans ce domaine et pousse vers l’adoption de systèmes de transport intelligents (ITS) et de réseaux véhiculaires ad hoc (VANET).Un VANET est défini comme un réseau ad-hoc particulier, formé de véhicules capables de communiquer et de traiter l’information reçue, et évoluent en milieu urbain (rues ou autoroutes). Les véhicules peuvent communiquer directement, de pair à pair, ou via un nœud intermédiaire.L'objectif principal de la sécurité des VANETs et des communications véhiculaires est de fournir l'intégrité des messages échangés et la disponibilité des services qui supportent ces échanges. La protection de la confidentialité de ce qu'ils contiennent est un objectif secondaire car non vital. Assurer la responsabilité, c'est-à-dire proposer un moyen d'identifier les entités communicantes et de les tenir responsables pour les messages qu’ils diffusent, est essentiel voire légalement obligatoire. Ce mécanisme doit garantir que tout nœud qui subit une faute, panne ou agit de façon malveillante, soit identifié, révoqué, finalement puni pour ses actions et leurs conséquences. Cependant, un tel mécanisme d'identification pose un problème et risque de compromettre la vie privée des utilisateurs, même lorsqu'ils sont honnêtes.Cette thèse porte sur le délicat compromis entre anonymat et traçabilité dans systèmes distribués tels que les ITSs. Nous étudions l'utilisation des blockchains (chaînes de blocs) dans la construction de primitives cryptographiques à seuil. Ces primitives sont utilisées afin de préserver la vie privée mais aussi la responsabilité des acteurs et étudiées dans leur application au cas des VANETs.Notre première contribution, appelée DOGS, est un schéma de signature de groupe basé sur la blockchain qui propose la fonctionnalité d'ouverture distribuée. Nous montrons, dans cette thèse, que le système améliore un schéma de signature de groupe existant et exploite un protocole de génération de clé distribuée pour répartir le rôle de l'ouvreur (Opener) sur un ensemble de nœuds appelés les sous-ouvreurs (sub-openers).Notre deuxième contribution est une génération de clé distribuée anonyme mais traçable, appelé BAT-Key, qui utilise une blockchain pour assurer la confiance entre les différentes entités qui composent le système. Dans la suite de la thèse, nous expliquons comment nous avons amélioré les protocoles traditionnels avec la propriété d'anonymat qui protège l'identité des participants.Notre troisième contribution, appelée TOAD, est un schéma de chiffrement à seuil basé sur la blockchain avec un service de déchiffrement anonyme mais traçable. Nous montrons que le schéma s'appuie sur un schéma de chiffrement à seuil connu et l’améliore par un processus de déchiffrement collaboratif qui protège l'identité des serveurs de déchiffrement.Tout au long des chapitres, nous expliquons comment l'utilisation de la blockchain garantit la traçabilité des actions effectuées au sein du système par des nœuds anonymes et assure ainsi leur responsabilité tout en préservant la vie privée.Ces schémas sont de la plus haute importance dans l'ère du numérique, même en dehors du domaine des ITSs. Pourtant, nous avons choisi d'illustrer leur importance dans le contexte des VANETs à travers notre dernière contribution : la description de notre construction d'un système de rapport de trafic routier basé sur la blockchain qui préserve l’anonymat des nœuds qui rapportent les informations, mais les tient pour responsables de leurs messages en cas de litige.

Cette thèse s’intéresse à la manière d’optimiser l’apprentissage du pilotage par l’amélioration de l’éducation du comportement oculaire. Dans divers domaines (e.g., médical, aéronautique), différentes méthodes d’éducation du comportement oculaire ont démontré leur efficacité quant à leur capacité à optimiser le temps d’apprentissage d’une tâche. Toutefois, dans le domaine du pilotage, cela n’a reçu que très peu de validation empirique (Ziv, 2016) notamment à cause de difficultés de mise en œuvre technique et méthodologique inhérentes à la nature dynamique et complexe de l’activité de pilotage (Eyrolle et al., 1996). Dans le but d’éduquer le comportement oculaire des élèves-pilotes, nous avons tout d’abord modélisé les caractéristiques du comportement oculaire à adopter. Puis nous avons conçu, développé et validé expérimentalement un outil spécifique, le PilotGazeTrainer, permettant de mettre en œuvre une nouvelle méthode originale d’éducation du comportement oculaire basée sur deux principes essentiels : l’analyse permanente du regard du participant, et l’affichage en temps-réel de feedbacks visuels ou sonores. Afin d’évaluer cette nouvelle méthode, nous avons réalisé plusieurs expérimentations sur un simulateur de vol et sur un micromonde développé pour l’occasion (l’AbstractFlyingTask). Les premiers résultats montrent que notre méthode permet, en très peu de temps, une modification durable du comportement oculaire bénéfique pour les personnes concernées. Ces résultats comportementaux ont également révélé le potentiel des outils développés – le micromonde AbstractFlyingTask et le PilotGazeTrainer – pour éduquer le comportement oculaire.

Les technologies de suivi du regard permettent d’estimer les endroits dans une scène où un utilisateur regarde. Les capacités des dispositifs informatiques sont en perpétuelle croissance, ainsi que le besoin pour de nouveaux outils qui peuvent permettre de tirer profit de nouveaux moyens de communiquer (par exemple avec les yeux). Ces systèmes sont utilisés dans divers domaines, notamment dans l’interaction homme-machine, les études sur l’ergonomie et l’utilisabilité, et le transfert de connaissance. Par exemple, pour les personnes ayant une déficience motrice ou un handicap physique, la saisie de texte par le regard peut être un important moyen d’interaction. En outre, ces outils peuvent être également utilisés pour comprendre les comportements visuels d’un pilote cherchant de l’information dans un cockpit.Toutefois, un certain nombre de barrières existent et rendent l'utilisation de ces outils moins précise et donc moins efficace. L’un des problèmes majeurs est le décalage entre la position réelle et la position estimée du point de regard de l’utilisateur. Celui-ci, sujet à des erreurs de précision, ne permet pas encore de se servir pleinement du canal d’interaction que peut offrir le regard. Suite aux progrès récents des technologies de détection de mouvements oculaires, on s’intéresse de plus en plus aux systèmes abordables, pas coûteux, précis et facilement utilisables.Cette thèse porte sur différents aspects de la recherche sur les mouvements oculaires. Elle propose de nouvelles approches qui permettent d’augmenter la précision de calcul de l’estimation du regard. En effet, nous montrerons qu’il existe des fonctions polynomiales plus adaptées que les modèles utilisés dans la littérature, et même dans les outils commercialisés. Nous proposons donc une nouvelle façon de construire automatiquement de nouveaux modèles qui sont mieux adaptés pour l’estimation du regard, et ce, pour tous les types de méthodes de calibration basées sur les fonctions polynomiales, connus à ce jour. Nous présentons aussi de nouvelles stratégies pour l’interaction basée sur le regard, ne nécessitant aucune calibration préalable. En plus de proposer des stratégies pour améliorer la précision et des techniques d’interaction, des outils de visualisation et d’exploration sont également proposés. Dans cette thèse, nous contribuons alors sous quatre différents angles: les techniques de calibration, l’interaction basée sur le regard, la visualisation et l’exploration.

Les pistes des aéroports sont considérées comme l'un des principaux goulots d'étranglementdu système aéroportuaire et l'un des facteurs qui déterminent la capacité des aéroports. Optimiser l'utilisation des pistes afin de réduire les retards motive les études du problème d'ordonnancement des atterrissages d'avions. Dans le cadre de cette thèse, nous nous intéressons au problème d'ordonnancement d'atterrissages d'avions dans deux contextes différents : un ordonnancement à la piste considérée comme une ressource indépendante, puis un ordonnancement d'arrivées d'avions en considérant plusieurs pistes d'atterrissage précédées par des balises de l'espace aérien aéroportuaire. Notre objectif est de minimiser les coûts de retard des avions. Pour le premier problème, nous considérons une représentation du coût de retard réaliste mais rarement considérée dans la littérature : une fonction convexe, linéaire par morceaux. Pour la résolution du problème, deux méthodes d'optimisation sont proposées dans cette thèse : une méthode exacte basée sur la programmation linéaire mixte en nombres entiers et une méthode heuristique basée sur un algorithme de planification optimiste issu du domaine de l'apprentissage par renforcement. Nous proposons aussi dans cette thèse des nouvelles instances réalistes et difficiles pour le problème d'ordonnancement d'atterrissage, car les instances de la littérature sont de nos jours facilement résolues avec les versions actuelles des logiciels d'optimisation. Les tests numériques effectués sur les instances proposées montrent que les retards peuvent significativement être réduits quand une approche d'optimisation est adoptée pour ordonnancer les atterrissages. Cependant, la méthode exacte requiert des temps de calcul qui deviennent prohibitifs avec la taille du problème (ici le nombre d'avions). Pour le deuxième problème, nous proposons une étude préliminaire dans laquelle nous adoptons une approche de programmation linéaire mixte en nombres entiers. La comparaison de cette approche avec la technique traditionnellement utilisée par les contrôleurs aériens révèlent encore une fois à quel point une approche d'optimisation peut être bénéfique pour réduire les retards.

Le contrôle aérien rentre dans une phase de profondes mutations liées à l’augmentation du trafic et à l’évolution des outils permettant d’assurer le service. L’augmentation du nombre d’avions gérés par le contrôleur implique un nombre beaucoup plus important qu’auparavant d’informations à traiter et mémoriser ; or une part importante des causes d’incidents est déjà due à des problèmes de perception et de mémorisation des informations amplifiées par la taille des écrans de contrôle. Ceux-ci sont particulièrement critiques dans le cas de la perception des alarmes et des avertissements donnés par le système sur la visualisation radar. Le design actuel de ce type d’alertes en France qui n’utilise que la couleur, fait aujourd’hui débat et il a été recommandé dans un bulletin de sécurité aérienne de le faire évoluer. La perception des informations nécessaires à l’établissement d’une bonne conscience de la situation aérienne des contrôleurs est au centre de cette thèse. L’objet principal de ce travail est d’améliorer la conscience de la situation des contrôleurs en s’assurant que les éléments pertinents à leur disposition dont les alarmes sont perçus dans des délais conformes à leur importance et que les actions nécessaires qui en découlent sont bien réalisées. Pour répondre à cette problématique, notre travail s’est porté sur deux axes. Le premier consiste à étudier la tâche des contrôleurs de façon à analyser les informations nécessaires à la réalisation de certains objectifs et proposer un agent de suivi de la tâche qui pourrait les épauler. Le second porte sur la perception des notifications, plus particulièrement en vision périphérique, et la conception de designs propres à améliorer leur perception ainsi que l’étude de leur impact sur la réalisation de la tâche. Grâce à une approche holistique basée sur l’utilisation d’un micro-monde ATC (Laby) et l’utilisation de capteurs physiologiques, nous avons pu évaluer plusieurs designs de notifications. Deux expérimentations ont été conduites, la première utilisant de l’oculométrie, visait à mesurer le pouvoir attentionnel de cinq designs et leur impact sur la réalisation de la tâche. La seconde, en utilisant des données neurophysiologiques, visait à mesurer l’impact de deux designs sur la charge de travail. Les designs évalués ont servi à concevoir un système de notification intégré dans une nouvelle supervision radar qui a été couplé à l’agent de suivi de la tâche. La dernière expérimentation conduite durant ces travaux avait pour objectif d’évaluer l’impact de cette nouvelle position de contrôle dont le design est orienté conscience de la situation sur la détection de problèmes critiques. Les résultats obtenus montrent l’intérêt de ces nouveaux outils et leur impact positif sur la réalisation de la tâche des contrôleurs ainsi que la nécessité d’évaluer dans un contexte expérimental contrôlé les caractéristiques des designs de notifications pour les visualisations de supervision.