Laboratoire Cognition, Langues, Langage, Ergonomie (CLLE)
UMR 5263


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Thèse Stanislas Boyer

20 juin 2016  à 14h - Salle D29
Université Toulouse II - Jean Jaurès (UT2J) Maison de la Recherche 5 allées Antonio Machado -31058 Toulouse Cedex 9

Titre : Contribution de l'analyse du signal vocal à la détection de l'état de somnolence et du niveau de charge mentale

Jury de thèse

Mme Agnès DAURAT Université Toulouse II - Jean Jaurès Directeur de these
M. Robert RUIZ Université Toulouse II - Jean Jaurès CoDirecteur de these
M. Radouane EL-YAGOUBI Université Toulouse II - Jean Jaurès Co-encadrant de these
M. Bernard HARMEGNIES Université de Mons-Hainaut Rapporteur
M. Sébastien TREMBLAY Université Laval Rapporteur
M. Philippe CABON Université Paris V – Descartes Examinateur
Mme Laurence DEVILLERS Université Paris IV - Sorbonne Examinateur
M. Pier-Giorgio ZANONE Université Toulouse III - Paul Sabatier Examinateur

Mots-clés : Voix,Paramètres Acoustiques,Somnolence,Charge Mentale,Sécurité Aérienne,Pilotes 

Résumé :

Les exigences opérationnelles du métier de pilotes sont susceptibles d’engendrer de la somnolence et des niveaux de charge mentale inadéquats (i.e., trop faible ou trop élevé) au cours des vols. Les dettes de sommeil et les perturbations circadiennes liées à divers facteurs (e.g., longues périodes de services, horaires de travail irrégulier, etc.) demandent aux pilotes de repousser sans cesse leurs limites biologiques. Par ailleurs, la charge de travail mentale des pilotes présente de fortes variations au cours d’un vol : élevée au cours des phases critiques (i.e., décollage et atterrissage), elle devient très réduite pendant les phases de croisière. Lorsque la charge mentale devient trop élevée ou, à l’inverse, trop faible, les performances se dégradent et des erreurs de pilotage peuvent apparaître. La mise en oeuvre de méthodes de détection de l’état de somnolence et du niveau de charge mentale en temps quasi réel est un défi majeur pour le suivi et le contrôle de l’activité de pilotage. L’objectif de la thèse est de déterminer si la voix humaine peut permettre de détecter d’une part, l’état de somnolence et d’autre part, le niveau de charge mentale d’un individu. Dans une première étude, la voix de participants a été enregistrée lors d’une tâche de lecture avant et après une nuit de privation totale de sommeil (PTS). Les variations de l’état de somnolence consécutives à la PTS ont été évaluées au moyen de mesures auto-évaluatives et électrophysiologiques (ÉlectroEncéphaloGraphie [EEG] et Potentiels Évoqués [PEs]). Les résultats ont montré une variation significative après la PTS de plusieurs paramètres acoustiques liés : (a) à l’amplitude des impulsions glottiques (fréquence de modulation), (b) à la forme de l’onde acoustique (longueur euclidienne du signal et ses caractéristiques associées) et (c) au spectre du signal des voyelles (rapport harmonique sur bruit, fréquence du second formant, coefficient d’asymétrie, centre de gravité spectral, différences d’énergie, pente spectrale et coefficients cepstraux à échelle Mel). La plupart des caractéristiques spectrales ont montré une sensibilité différente à la privation de sommeil en fonction du type de voyelle. Des corrélations significatives ont été mises en évidence entre plusieurs paramètres acoustiques et plusieurs indicateurs objectifs (EEG et PEs) de l’état de somnolence. Dans une seconde étude, le signal vocal a été enregistré durant une tâche de rappel de listes de mots. La difficulté de la tâche était manipulée en faisant varier le nombre de mots dans chaque liste (i. e., entre un et sept, correspondant à sept conditions de charge mentale). Le diamètre pupillaire – qui est un indicateur objectif pertinent du niveau de charge mentale – a été mesuré simultanément avec l’enregistrement de la voix afin d’attester de la variation du niveau de charge mentale durant la tâche expérimentale. Les résultats ont montré que des paramètres acoustiques classiques (fréquence fondamentale et son écart type, shimmer) et originaux (fréquence de modulation et variations à court terme de la longueur euclidienne du signal) ont été particulièrement sensibles aux variations de la charge mentale. Les variations de ces paramètres acoustiques étaient corrélées à celles du diamètre pupillaire. L’ensemble des résultats suggère que les paramètres acoustiques de la voix humaine identifiés lors des expérimentations pourraient représenter des indicateurs pertinents pour la détection de l’état de somnolence et du niveau de charge mentale d’un individu. Les résultats ouvrent de nombreuses perspectives de recherche et d’applications dans le domaine de la sécurité des transports, notamment dans le secteur aéronautique.



 

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