Development of a car driver model : From the cognitive modeling to the digital simulation.
Développement d'un modèle du conducteur automobile : De la modélisation cognitive à la simulation numérique
Résumé
Development of a car driver model : From the cognitive modeling to the digital
simulation.
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 specic 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
dierent levels of granularity. Thus, such a model oers 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 scientic
investigation in the eld of cognitive sciences: The numerical simulation of cognitive functions
identied and modeled by COSMODRIVE allowed us to dene 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 an
d'engager des actions sur le véhicule lui permettant d'atteindre les buts qu'il se xe 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 an de la comprendre, l'expliquer et peutêtre
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, an 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 (planication 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. An 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 conrmer l'intérêt de la simulation cognitive
pour appréhender les activités mentales du conducteur automobile.
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