Développement d'un modèle du conducteur automobile : De la modélisation cognitive à la simulation numérique

Driving activity takes place in a dynamic and constantly changing environment. The driver has to make his car evolving on the road while ensuring adequate interactions with its close environment and other road users. In order to perform this task, the driver has to perceive the environment he is evolving in, to interpret events in order to correctly understand the current driving situation, to be able to anticipate its evolution and take decisions regarding vehicle control in order to reach his short and long term goals safely. As a result, both complexity and variety of perceptual, cognitive and sensorimotor processes involved in the driving activity make it very rich context for cognitive sciences. The modeling of human cognition, a speci c method which belongs to cognitive sciences eld, has been chosen to study driver's activity aiming at understanding, explaining or even predicting it. This approach allows a representation and a description of the driver's cognitive system with di erent levels of granularity. Thus, such a model o ers only a theoretical description. When implemented on a computer, it opens the way to the simulation allowing the digital deployment of the theories involved in the cognitive model design. This thesis is focused on cognitive modeling of car driver, its implementation and its simulation using a virtual platform. The theoretical model that we implemented is COSMODRIVE, developed at IFSTTAR - LESCOT laboratory and the implementation platform we used for this, named SiVIC, is developed at IFSTTAR - LIVIC. This is the context where we started the computational development of the COSMODRIVE model in order to simulate the perceptual and cognitive activity of car driver. Indeed, we chose to limit our implementation to some crucial cognitive processes such as strategic functions (route planning and strategic plans execution), perceptual functions (exploration and integration of visual information), cognitive tactical functions (construction of mental representations, perceptual and cognitive integration of information, structuring of driving knowledge, etc.), or executive functions of actions (short control loop by envelopes zones or pursuit points). Through computer simulation, we used the numerical model as an innovative tool for scienti c investigation in the eld of cognitive sciences: The numerical simulation of cognitive functions identi ed and modeled by COSMODRIVE allowed us to de ne experimental hypotheses which leed us to conduct experiments in a driving simulator that we have built. To test the theoretical model and computer of the car driver, we compared the performance of human drivers on one hand and the predictions issued from the simulation on the other hand. It opens innovative opportunities for the development and the use of cognitive modeling and simulation of car driver.L'activité de conduite automobile prend place dans un environnement dynamique en constante évolution. Le conducteur doit progresser sur la route au moyen de son véhicule, tout en interagissant adéquatement avec l'environnement et les autres usagers. Pour réaliser cette tâche, le conducteur doit percevoir son environnement, interpréter les événements pour se représenter correctement la situation de conduite, anticiper ces changements, et prendre des décisions a n d'engager des actions sur le véhicule lui permettant d'atteindre les buts qu'il se fixe à court et long terme. A cet égard, la complexité et la diversité des processus perceptifs, cognitifs et sensori-moteurs requis pour la conduite automobile font de cette activité un objet d'étude particulièrement riche pour les sciences de la cognition. Pour étudier l'activité du conducteur automobile a n de la comprendre, l'expliquer et peut-être la prédire, les sciences cognitives se dirigent vers la modélisation de la cognition humaine. Cette démarche permet une représentation et une description plus ou moins ne du système cognitif du conducteur automobile. Cependant, un modèle de la cognition ne permet qu'une description théorique. Grâce à son implémentation informatique, il devient possible de simuler les théories utilisées et déployer numériquement celles mises en jeu dans la modélisation cognitive. Ce travail de thèse s'articule autour de la modélisation cognitive du conducteur automobile, de son implémentation informatique sur une plateforme de développement virtuel et de sa simulation au sein de cette plateforme. Le modèle théorique que nous avons implémenté est COSMODRIVE, en développement au laboratoire du LESCOT à l'IFSTTAR, et la plateforme de développement accueillant le modèle est SiVIC, développée au LIVIC. C'est dans ce contexte que nous nous sommes engagés dans le développement computationnel et informatique du modèle COSMODRIVE, a n de pouvoir simuler l'activité perceptive et cognitive du conducteur automobile. Pour cela, nous nous sommes limités à certains processus cognitifs primordiaux, comme les fonctions stratégiques (plani cation d'itinéraires et réalisation de plans stratégiques), ou les fonctions perceptives (exploration et intégration de l'information visuelle), les fonctions cognitives tactiques (construction de représentations mentales, intégration perceptivo-cognitive de l'information, structuration des connaissances de conduite, etc.), ou encore les fonctions d'exécution d'actions (régulation courte par zones enveloppes ou par points de poursuite). Par l'implémentation informatique du modèle COSMODRIVE sur SiVIC, il devient possible d'incarner numériquement des théories cognitives et de les opérationnaliser pour formuler des hypothèses de recherche sous la forme de prédictions de performances que l'on pourra évaluer empiriquement auprès de conducteurs humains. Ces hypothèses formulées, nous avons conduit des expérimentations sur un simulateur de conduite que nous avons construit. A n d'éprouver notre modèle théorique et informatique du conducteur automobile, nous avons comparé les performances des conducteurs humains avec les prédictions issues de la simulation. Les résultats obtenus ont permis de valider cette approche et de con firmer l'intérêt de la simulation cognitive pour appréhender les activités mentales du conducteur automobile