Sujet de thèse IFSTTAR

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Fiche détaillée :

Titre : Modélisation cognitive et biomécanique du comportement des conducteurs en vue d’évaluer leur sécurité en cas d’accident

Laboratoire principal - Référent principal   -

Directeur du laboratoire principal   -

Spécialité de la thèse Informatique/Mécanique

Axe 1 - COP2017 - Transporter efficacement et se déplacer en sécurité

Site principal Bron

Etablissement d'inscription UNIVERSITE CLAUDE-BERNARD-LYON 1

Ecole doctorale MEGA (MECANIQUE, ENERGETIQUE, GENIE CIVIL, ACOUSTIQUE)

Directeur de thèse prévu WANG Xuguang  -  Université Gustave Eiffel  -  TS2 - LBMC

Co-directeur de thèse prévu BEILLAS Philippe  -  Université Gustave Eiffel  -  TS2 - LBMC

Type de financement prévu Contrat doctoral  - Ifsttar

Résumé

Contexte
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Dans les prochaines années, les véhicules hautement automatisés vont être introduits de manière progressive sur les routes. Leurs occupants pourraient ainsi avoir de nouvelles activités de loisir ou de travail durant la conduite, mais ceci pourra nécessiter un aménagement de l’habitacle différent, afin d’assurer un niveau de confort plus élevé. Par ailleurs, l’automatisation n’est pas la garantie de l’absence d’accidents, au moins de manière transitoire. Dans ce contexte, il est essentiel de se préoccuper des problèmes de sécurité susceptibles d’apparaitre dans l’avenir lors de l’usage de ces véhicules, notamment au regard des nouvelles postures que pourraient adoptées les occupants en raison de l’automatisation. L’objectif de cette thèse sera de recourir à la simulation numérique « multi-modèles » pour chercher appréhender ces nouveaux risques, en vue de concevoir in fine des véhicules automatisés plus sécuritaires.
Différents types de modèles de simulation numérique de l’humain sont en effet déjà utilisés à l’ifsttar pour aider à la conception de véhicules ou d’habitacle. Ils décrivent l’humain sous des angles et aspects différents, qui ont tous leur importance dans la démarche de conception, en particulier pour de futurs véhicules automatisés. On peut citer en particulier :
* Les modèles dits cognitifs, qui s’attachent à simuler la « conscience » qu’a le conducteur de la situation, son évaluation des risques, sa prise de décision et, in fine, les comportements à engager pour faire face à la situation de conduite du moment (ex : Bellet et al, 2012 ). Ces modèles sont importants pour pouvoir prédire une « intention d’action » que s’apprête à engager le conducteur (pour reprendre le contrôle manuel du véhicule automatisé, par exemple), sans toutefois prendre en compte jusqu’ici les mouvements corporels et les postures, ni les contraintes ou les efforts biomécaniques qui leurs sont associés.
* Les modèles dits de confort postural s’attachent à prédire l’inconfort associé à une posture, et ainsi prédire des postures plausibles qui seraient choisies par des occupants (ex : Peng et al., 2017, 2018). Ces modèles sont importants pour permettre aux constructeurs d’aménager l’intérieur du futur véhicule (contexte véhicule autonome)
* Les modèles dits de choc s’attachent à prédire le risque lésionnel associé à une configuration d’accident (ex : Beillas et Berthet, 2017, 2018 ). Ces modèles sont importants pour déterminer les postures qui seront acceptables dans les futurs intérieurs, pour concevoir de nouveaux moyens de protection, et pour prendre en compte les conséquences lésionnelles dans les algorithmes de décision du véhicule.
Toutefois, ces différents modèles de simulation numériques sont actuellement relativement déconnectés les uns des autres. Ainsi, les modèles cognitifs ne prennent pas en compte la plausibilité du mouvement résultant d’une décision du point de vue biomécanique ou in fine de sécurité. De même, les modèles de confort postural ne prennent pas en compte l’intention (cognitive) pour la prédiction du mouvement ou le choix de stratégies cinématiques. Enfin, les modèles de choc n’utilisent pas non plus les intentions et mouvements en résultant pour déterminer la posture juste avant le choc.
L’enjeu est désormais de concevoir des méthodes et des outils reposant sur ses différents modèles de simulation de l’humain, en vue de pouvoir appréhender les risques et les aménagements induits par de l’automatisation de la conduite selon un approche combinée « cognitive, comportementale et biomécanique ».

Objectifs
------------
Les objectifs de la thèse seront d’investiguer les possibles connections entre modèles de simulation numérique de la cognition humaine, de confort et de choc. La réflexion portera sur la nature et l’intérêt des connections possibles, et la mise au point de prototypes permettant d’évaluer différentes approches. Celles-ci pourraient inclure la mise au point d’approches de co-simulation pour les modèles cognitifs et confort et leur connexion à la simulation de choc. L’impact de ces évolutions sera évalué dans des scénarios de conduite de véhicule autonome.

Approche
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Des modèles disponibles au LESCOT et au LBMC serviront de base à cette recherche de thèse.
Après une prise en main des différents modèles de simulation existants, des scénarios d’intérêt « communs » seront définis pour les véhicules du niveau d’automatisation 3 (demande de la prise en main de la conduite à tout moment) et 4 (demande de la prise en main de la conduite programmé à l’avance).
Deux types de scénarios d’intérêt privilégiés se dégagent en première analyse. Le première est liée à la question de la posture de l’occupant en situation de pré-crash, pour partie déterminée par les activités de vie à bord engagées durant la conduite automatisée, et le second à celle de la reprise de contrôle manuel du véhicule « en urgence » (est elle ou non possible, cognitivement et bio-mécaniquement parlant, par exemple), en cas d’incapacité de l’automate à gérer seul la tâche de conduite.
Sans préjuger à ce stade des scénarios de conduite qui seront effectivement investigués durant la thèse, l’enjeux sera dans un premier temps de collecter des comportements en situations de conduite automatisées observées sur simulateur de conduite. Dans un second temps, il s’agira alors de s’appuyer sur les différents modèles existants en vue de prédire, de modéliser et de « co-simuler » l’activité de l’occupant sous l’angle cognitif, comportemental et postural, que ce soit dans l’objectif d’appréhender conjointement les contraintes perceptives, cognitives et biomécaniques associées à certaines « intentions » de l’occupant, par exemple, ou que ce soit dans l’objectif d’en évaluer les effets et les conséquences en cas d’accident et de choc.

Candidat
-------------
Plusieurs disciplines seront abordées pendant la thèse, incluant la mécanique (avec une forte orientation biomécanique), ainsi que les sciences de la cognition et du comportement. Les aspects de simulation numérique seront néanmoins essentiels, quelle que soit la discipline.
Le candidat idéal aura une formation en Informatique, en Robotique ou en Mécanique, avec si possible une première expérience en simulation sur l’un des aspects abordées la thèse. Dans la mesure où cette thèse abordera un sujet impliquant plusieurs disciplines, la curiosité et l’ouverture d’esprit seront des qualités importantes pour le candidat.

Environnement et encadrement
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Le doctorant sera accueilli à l’Ifsttar au sein du LBMC (Laboratoire de Biomécanique et Mécanique des Chocs, unité mixte Ifsttar et Université Lyon 1, équipes Biomécanique et ergonomie et Biomécanique des chocs) et du LESCOT (Laboratoire d’Ergonomie et de Sciences Cognitives de l’Ifsttar). Il sera codirigé par Xuguang Wang, Philippe Beillas et Thierry Bellet, avec des expertises complémentaires sur les aspects cognitifs, confort et choc.

Références
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Bellet, T., Mayenobe, P., Bornard, J.C., Gruyer, D., Claverie, B. (2012). A computational model of the car driver interfaced with a simulation platform for future Virtual Human Centred Design applications: COSMO-SIVIC, Engineering Applications of Artificial Intelligence, 25, pp. 1488-1504.

Beillas P, Berthet F. (2017) An investigation of human body model morphing for the assessment of abdomen responses to impact against a population of test subjects. Traffic Inj. Prev., 2017, 18(sup1):S142–S147.

Beillas P. and Berthet F. (2018) Development of simulation based liver and spleen injury risk curves for the GHBMC detailed models. IRCOBI Conference 2018, September 12-14, Athens, Greece

Peng J., Wang X. and Denninger L. (2017) Ranges of the least uncomfortable joint angles for assessing automotive driving posture. Applied Ergonomics, 61, 12-21, DOI.10.1016/j.apergo.2016.12.021

Peng J., Wang X. and Denninger L. (2018) Effects of anthropometric variables and seat height on automobile drivers’ preferred posture with the presence of the clutch. Human factors, Vol. 60, No. 2, March 2018, pp. 172–190, DOI: 10.1177/0018720817741040

Mots-clefs: véhicule autonome, comportement en situation d’urgence, modèle humain, cognitif, biomécanique

Laboratoire principal - Référent principal	-
Directeur du laboratoire principal	-
Spécialité de la thèse	Informatique/Mécanique
Axe	1 - COP2017 - Transporter efficacement et se déplacer en sécurité
Site principal	Bron
Etablissement d'inscription	UNIVERSITE CLAUDE-BERNARD-LYON 1
Ecole doctorale	MEGA (MECANIQUE, ENERGETIQUE, GENIE CIVIL, ACOUSTIQUE)
Directeur de thèse prévu	WANG Xuguang - Université Gustave Eiffel - TS2 - LBMC
Co-directeur de thèse prévu	BEILLAS Philippe - Université Gustave Eiffel - TS2 - LBMC
Type de financement prévu	Contrat doctoral - Ifsttar
Résumé Contexte ------------ Dans les prochaines années, les véhicules hautement automatisés vont être introduits de manière progressive sur les routes. Leurs occupants pourraient ainsi avoir de nouvelles activités de loisir ou de travail durant la conduite, mais ceci pourra nécessiter un aménagement de l’habitacle différent, afin d’assurer un niveau de confort plus élevé. Par ailleurs, l’automatisation n’est pas la garantie de l’absence d’accidents, au moins de manière transitoire. Dans ce contexte, il est essentiel de se préoccuper des problèmes de sécurité susceptibles d’apparaitre dans l’avenir lors de l’usage de ces véhicules, notamment au regard des nouvelles postures que pourraient adoptées les occupants en raison de l’automatisation. L’objectif de cette thèse sera de recourir à la simulation numérique « multi-modèles » pour chercher appréhender ces nouveaux risques, en vue de concevoir in fine des véhicules automatisés plus sécuritaires. Différents types de modèles de simulation numérique de l’humain sont en effet déjà utilisés à l’ifsttar pour aider à la conception de véhicules ou d’habitacle. Ils décrivent l’humain sous des angles et aspects différents, qui ont tous leur importance dans la démarche de conception, en particulier pour de futurs véhicules automatisés. On peut citer en particulier : * Les modèles dits cognitifs, qui s’attachent à simuler la « conscience » qu’a le conducteur de la situation, son évaluation des risques, sa prise de décision et, in fine, les comportements à engager pour faire face à la situation de conduite du moment (ex : Bellet et al, 2012 ). Ces modèles sont importants pour pouvoir prédire une « intention d’action » que s’apprête à engager le conducteur (pour reprendre le contrôle manuel du véhicule automatisé, par exemple), sans toutefois prendre en compte jusqu’ici les mouvements corporels et les postures, ni les contraintes ou les efforts biomécaniques qui leurs sont associés. * Les modèles dits de confort postural s’attachent à prédire l’inconfort associé à une posture, et ainsi prédire des postures plausibles qui seraient choisies par des occupants (ex : Peng et al., 2017, 2018). Ces modèles sont importants pour permettre aux constructeurs d’aménager l’intérieur du futur véhicule (contexte véhicule autonome) * Les modèles dits de choc s’attachent à prédire le risque lésionnel associé à une configuration d’accident (ex : Beillas et Berthet, 2017, 2018 ). Ces modèles sont importants pour déterminer les postures qui seront acceptables dans les futurs intérieurs, pour concevoir de nouveaux moyens de protection, et pour prendre en compte les conséquences lésionnelles dans les algorithmes de décision du véhicule. Toutefois, ces différents modèles de simulation numériques sont actuellement relativement déconnectés les uns des autres. Ainsi, les modèles cognitifs ne prennent pas en compte la plausibilité du mouvement résultant d’une décision du point de vue biomécanique ou in fine de sécurité. De même, les modèles de confort postural ne prennent pas en compte l’intention (cognitive) pour la prédiction du mouvement ou le choix de stratégies cinématiques. Enfin, les modèles de choc n’utilisent pas non plus les intentions et mouvements en résultant pour déterminer la posture juste avant le choc. L’enjeu est désormais de concevoir des méthodes et des outils reposant sur ses différents modèles de simulation de l’humain, en vue de pouvoir appréhender les risques et les aménagements induits par de l’automatisation de la conduite selon un approche combinée « cognitive, comportementale et biomécanique ». Objectifs ------------ Les objectifs de la thèse seront d’investiguer les possibles connections entre modèles de simulation numérique de la cognition humaine, de confort et de choc. La réflexion portera sur la nature et l’intérêt des connections possibles, et la mise au point de prototypes permettant d’évaluer différentes approches. Celles-ci pourraient inclure la mise au point d’approches de co-simulation pour les modèles cognitifs et confort et leur connexion à la simulation de choc. L’impact de ces évolutions sera évalué dans des scénarios de conduite de véhicule autonome. Approche ------------- Des modèles disponibles au LESCOT et au LBMC serviront de base à cette recherche de thèse. Après une prise en main des différents modèles de simulation existants, des scénarios d’intérêt « communs » seront définis pour les véhicules du niveau d’automatisation 3 (demande de la prise en main de la conduite à tout moment) et 4 (demande de la prise en main de la conduite programmé à l’avance). Deux types de scénarios d’intérêt privilégiés se dégagent en première analyse. Le première est liée à la question de la posture de l’occupant en situation de pré-crash, pour partie déterminée par les activités de vie à bord engagées durant la conduite automatisée, et le second à celle de la reprise de contrôle manuel du véhicule « en urgence » (est elle ou non possible, cognitivement et bio-mécaniquement parlant, par exemple), en cas d’incapacité de l’automate à gérer seul la tâche de conduite. Sans préjuger à ce stade des scénarios de conduite qui seront effectivement investigués durant la thèse, l’enjeux sera dans un premier temps de collecter des comportements en situations de conduite automatisées observées sur simulateur de conduite. Dans un second temps, il s’agira alors de s’appuyer sur les différents modèles existants en vue de prédire, de modéliser et de « co-simuler » l’activité de l’occupant sous l’angle cognitif, comportemental et postural, que ce soit dans l’objectif d’appréhender conjointement les contraintes perceptives, cognitives et biomécaniques associées à certaines « intentions » de l’occupant, par exemple, ou que ce soit dans l’objectif d’en évaluer les effets et les conséquences en cas d’accident et de choc. Candidat ------------- Plusieurs disciplines seront abordées pendant la thèse, incluant la mécanique (avec une forte orientation biomécanique), ainsi que les sciences de la cognition et du comportement. Les aspects de simulation numérique seront néanmoins essentiels, quelle que soit la discipline. Le candidat idéal aura une formation en Informatique, en Robotique ou en Mécanique, avec si possible une première expérience en simulation sur l’un des aspects abordées la thèse. Dans la mesure où cette thèse abordera un sujet impliquant plusieurs disciplines, la curiosité et l’ouverture d’esprit seront des qualités importantes pour le candidat. Environnement et encadrement ------------------------------------------ Le doctorant sera accueilli à l’Ifsttar au sein du LBMC (Laboratoire de Biomécanique et Mécanique des Chocs, unité mixte Ifsttar et Université Lyon 1, équipes Biomécanique et ergonomie et Biomécanique des chocs) et du LESCOT (Laboratoire d’Ergonomie et de Sciences Cognitives de l’Ifsttar). Il sera codirigé par Xuguang Wang, Philippe Beillas et Thierry Bellet, avec des expertises complémentaires sur les aspects cognitifs, confort et choc. Références ---------------- Bellet, T., Mayenobe, P., Bornard, J.C., Gruyer, D., Claverie, B. (2012). A computational model of the car driver interfaced with a simulation platform for future Virtual Human Centred Design applications: COSMO-SIVIC, Engineering Applications of Artificial Intelligence, 25, pp. 1488-1504. Beillas P, Berthet F. (2017) An investigation of human body model morphing for the assessment of abdomen responses to impact against a population of test subjects. Traffic Inj. Prev., 2017, 18(sup1):S142–S147. Beillas P. and Berthet F. (2018) Development of simulation based liver and spleen injury risk curves for the GHBMC detailed models. IRCOBI Conference 2018, September 12-14, Athens, Greece Peng J., Wang X. and Denninger L. (2017) Ranges of the least uncomfortable joint angles for assessing automotive driving posture. Applied Ergonomics, 61, 12-21, DOI.10.1016/j.apergo.2016.12.021 Peng J., Wang X. and Denninger L. (2018) Effects of anthropometric variables and seat height on automobile drivers’ preferred posture with the presence of the clutch. Human factors, Vol. 60, No. 2, March 2018, pp. 172–190, DOI: 10.1177/0018720817741040
Mots-clefs:	véhicule autonome, comportement en situation d’urgence, modèle humain, cognitif, biomécanique

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