Study of commercial pilots’ decision-making : Links between cognitive control and mental workload

Cette thèse vise à étudier les facteurs de dégradation dans la prise de décision des pilotes d’avion dans des situations dynamiques, en vue de définir les principes d’une assistance à la prise de décision dans les futurs cockpits d’avion. L’analyse des processus de prise de décision dans le domaine aéronautique a permis de centrer la problématique sur la question du contrôle cognitif. Nous avons considéré le Modèle de Contrôle Contextuel (Hollnagel, 1993), qui présente quatre modes de contrôle cognitif - stratégique, tactique, opportuniste et brouillé, du plus au moins proactif - et nous avons exploré les liens entre ces modes, la contrainte de la situation, et l’astreinte des opérateurs. Cela a abouti à l’hypothèse que l’on pouvait déterminer le mode de contrôle cognitif instancié à partir de la connaissance de la contrainte et de la mesure de l’astreinte, via des mesures physiologiques (rythme cardiaque) ou neurophysiologiques (oxygénation du cortex préfrontal). À l’aide d’une Analyse Cognitive du Travail réalisée sur l’activité de pilotage, nous avons construit et mené deux expérimentations afin d’explorer les liens évoqués ci-dessus : l’une en laboratoire avec des étudiants confrontés au logiciel MATB-II, l’autre en simulateur de vol avec des pilotes experts confrontés à des scénarios réalistes. Les résultats expérimentaux ont confirmé les liens entre les modes de contrôle et la contrainte, montrant une adoption préférentielle du mode tactique lorsque la contrainte est faible. Nous avons également observé un lien entre modes de contrôle et astreinte. En effet, le taux d’oxygénation sanguine du cortex préfrontal est plus bas pour le mode tactique que pour les autres modes. Enfin, ces deux expérimentations ont montré que le mode tactique est le plus efficient, puisqu’il est associé au plus faible niveau d’astreinte et à des performances correctes. Les apports de cette étude sont discutés au regard des perspectives concernant le développement d’assistances adaptatives.This thesis aims to study the degradation factors of pilots’ decision-making in dynamic situations, with the purpose of defining the principles for a decision-making assistance in future cockpits. The analysis of aviation decision-making processes allowed to focus the problematic on the question of cognitive control. We considered the Contextual Control Model (Hollnagel, 1993), which have four cognitive control modes – strategic, tactical, opportunistic and scrambled, from the more proactive to the less – and we explored the links between these modes, the situation’s mental stress (as defined by DIN EN ISO 10075-1:2017) and the operators’ mental strain. This led to the hypothesis that we could determine the cognitive control mode instantiated by assessing the mental stress and measuring the strain via physiological (cardiac pace) or neurophysiological measures (prefrontal cortex oxygenation). With the help of a Cognitive Work Analysis carried on piloting activity, we built and conducted two experimentations in order to explore the aforementioned links: one in laboratory with university students confronted to the MATB-II software, the other in a flight simulator with expert pilots who faced realistic scenarios. The experimental results confirmed the links between control modes and mental stress showing a preferential adoption of the tactical mode when the mental stress is low. We also observed a link between control modes and mental strain. Indeed, the prefrontal cortex blood oxygenation rate is lower for the tactical mode than for the other modes. Finally, these two experimentations showed that the tactical mode was the most efficient, associated with lower mental strain and adequate performances. The results of this study are discussed with regards to the perspectives about the development of adaptive assistances