Le pseudoscience de la simulation de vol

Les transporteurs ont l'obligation de décaisser des milliards de dollars
en fonctions et gadgets inutiles pour former leurs pilotes en simulateurs de vol.
Les législateurs ont une opportunité historique de rectifier les exigences
de certification des programmes de formation des pilotes commerciaux.

(27 janvier 2021) Malgré les milliards de dollars investis et un demi-siècle de recherche, il n'existe aucune démonstration d'un quelconque bénéfice des mouvements synthétiques de simulateurs pour la sécurité du public voyageur. Les frais d'opérations inutiles sont la dernière chose dont les transporteurs ont besoin. S'il est vrai que la vie ne sera plus la même après la pandémie, le temps est venu pour les législateurs de recadrer les exigences règlementaires et les normes de formation des pilotes sur les données probantes de la recherche.

La simulation de vol est née en 1910 en Angleterre. Le commandant Haydyn Arnold Sanders innove alors avec son Sanders Teacher, fait de pièces restantes d'avions Sanders et installé sur un socle exposé aux vents. À la fin des années vingt, Edwin A. Link développe le premier simulateur de vol américain. La Deuxième Guerre fait rage alors que les Link Trainers forment les pilotes alliés par centaines. À partir des années cinquante, les avancées des servocommandes, des premiers calculateurs analogues puis digitaux ont permis le développement des simulateurs modernes que nous connaissons aujourd'hui.

Les premiers systèmes de mouvements synthétiques bougent de quelques centimètres autour des axes roulis/tangage et utilisent un rotor à cames pour simuler les turbulences légères. Devant l'enthousiasme des candidats ainsi entraînés, les fabricants de simulateurs développent des dispositifs sensoriels toujours plus complexes, et... couteux. Malgré qu'aucun des mouvements simulés ne reproduit réellement les mouvements d'un aéronef en vol, l'émerveillement des candidats et des instructeurs est au rendez-vous. Les autorités de l'aviation civile sont séduites par l'entrain et imposent ces dispositifs dans les normes de formation (e.g., Federal Aviation Administration, 2021).

La question des mouvements synthétiques suscite un plus grand questionnement portant sur le niveau requis de fidélité pour obtenir un optimum de transfert de compétences, du simulateur vers l'avion. Gerathewohl (1969) dans une étude financée par la FAA portant sur le transfert d'apprentissage et le degré de fidélité des simulateurs, amalgame les programmes de formation civils, militaires et spatiaux et compare les dispositifs partiels de formation (Part-Task Trainers) aux simulateurs complets (Full Flight Simulators). Il conclut à l'effet que les mouvements synthétiques sont essentiels, du moins pour certains types de formation au pilotage.

Les scientifiques se questionnent cependant sur le bien-fondé pédagogique de truquer le système vestibulaire. Les pilotes entraînés aux mouvements synthétiques sont-ils plus aptes à commander un aéronef à voilure fixe ? En chœur, pilotes, manufacturiers et législateurs évoquent le gros bon sens : "Oui, bien sûr ! L'avion bouge, le simulateur doit bouger." Or, les chercheurs savent que le bon sens est le pire ennemi de la science.

Edward E. Eddowes (1978) compare les étudiants-pilotes formés à l'aide de dispositifs d'entraînement au vol sans mouvements à ceux formés à bord de simulateurs complets avec mouvements synthétiques. Ses résultats convergent avec ceux de ses contemporains : les simulateurs mobiles forment de meilleurs pilotes de simulateur, mais cet avantage ne se traduit pas sur l'avion, où les pilotes formés sans mouvements synthétiques performent aussi bien. Pourquoi est-ce ainsi ? Schmidt & Wulf (1997) évoquent une dépendance croissante des stimuli sensoriels qui aident les performances en simulateur, au dépend du transfert de l'apprentissage vers le vol réel. Bien qu'il n'existe aucune preuve que les mouvements synthétiques induisent une dépendance aux stimuli vestibulaires au point de nuire aux pilotes ainsi formés, l'effet demeure tout de même paradoxal. Pour recouvrer d'assiettes inhabituelles, les étudiants-pilotes doivent apprendre à se concentrer sur les instruments de vol et ignorer complètement les sensations provenant de l'oreille interne. La formation dispensée en simulateur sans mouvements synthétiques devrait en principe offrir cet avantage. Il semble que les chercheurs n'ont pas documenté un tel avantage n'ayant pas développé de protocoles expérimentaux qui le testeraient.

Néanmoins, le principal point à retenir de la recherche à ce jour est que la formation avec mouvements synthétiques ne profite pas aux performances en vol, du moins pour les aéronefs à voilure fixe et pour les pilotes d'expérience normalement employés par les compagnies aériennes. La démonstration de la fausse promesse des mouvements synthétiques se trouve dans l'étude rigoureuse de Koonce (1979). Trois groupes de pilotes ont subi un programme de formation en simulateur sans connaître l'objectif réel de la recherche. Un groupe a reçu l'entraînement en simulateur mobile. Un autre groupe a reçu la même formation mais avec des mouvements synthétiques atténués représentant mieux les stimuli de changement d'assiettes en vol, notamment pendant les roulis soutenus. Un troisième groupe agissait comme groupe de contrôle, en simulateur dépourvu de mouvements (fixe).

Tous les pilotes ont été évalués par deux pilotes examinateurs au moyen de scénarios standardisés, d'abord en simulateur, ensuite en vol avec les mêmes scénarios. Koonce écrit : "La performance des sujets étudiés dans le simulateur tend à varier en fonction de la méthode d'entraînement utilisée. Le groupe sans mouvement a démontré les plus pauvres performances dans le simulateur, par rapport aux deux autres groupes. (...) Les bons résultats des deux groupes avec mouvement sont attribuables aux indices signalant les mouvements simulés. Les pilotes du groupe sans mouvement devaient trouver toute l'information de vol seulement à partir des instruments." Puis Koonce évalue le transfert réel de l'apprentissage à bord de l'avion, en vol. Il conclut alors: "Aucune différence significative ne fût identifiée (par les examinateur)s lors de l'évaluation des performances en vol." Cette rigoureuse étude n'a montré aucun avantage discernable à former les pilotes avec mouvements synthétiques.

Trois principaux arguments sont invoqués en faveur des mouvements synthétiques (Vaden, 2005). D'abord, la théorie des éléments identiques (Thorndike 1903) sous-tend que, pour obtenir le meilleur transfert possible, il faut un haut degré de fidélité de l'environnement d'apprentissage. Au moyen d'expériences verbales sur l'apprentissage de syllables, Osgood (1949) décrit les nuances de la relation entre fidélité des modèles et qualité du transfert d'apprentissage. En simulation de vol, le concept de fidélité est toujours demeuré complexe à définir du fait que pratiquement tous les énoncés théoriques portant sur le transfert de l'apprentissage sont issus d'études de tâches cognitives sans égard aux rôles que jouent la perception et l'action. Bien que les théories acceptées soutiennent le concept de fidélité, elles sont fondées sur des données restreintes qui représentent mal la grande diversité des activités impliquées dans le pilotage d'aéronefs, qui vont de l'appontage avec câble d'arrêt jusqu'au vol suborbital. Il est ainsi difficile d'identifier le niveau requis de fidélité pour l'entraînement des pilotes. De recherches simples portant sur des tâches de contrôle ont obtenu de meilleurs transferts d'apprentissage avec des systèmes d'entraînement peu similaires aux tâches réelles, suggérant qu'il est préférable de concevoir un simulateur dans le but de maximiser la formation, plutôt que de viser la plus haute fidélité possible.

Le deuxième argument est basé sur les observations à l'effet que les simulateurs mobiles sont plus faciles à piloter que les simulateurs fixes. Mis en évidence par Koonce, les mouvements synthétiques aident les pilotes en leur fournissant des indices de changement. Néanmoins Koonce a également mis en évidence que cet avantage ne se transfère pas à l'avion. De manière générale, non seulement les mouvements synthétiques pendant la formation n'avantagent pas les pilotes aux commandes de l'avion de manière significative, mais personne n'a pu démontrer que l'absence de mouvements synthétiques pendant la formation, ou pour des fins de contrôle de compétence, constituait un risque à la sécurité aérienne. Le psychologue de l'aviation Sammy Szpic de Toulouse rapporte : "Lorsqu'on confond exercices et objectifs pédagogiques, l'attention tend à se porter sur le développement d'outils, au détriment de ce qui doit rester le fondement : l'amélioration des compétences. La vraie préoccupation de toute action de formation est de former utile." Il n'existe aucune donnée permettant de croire que la sécurité du public à bord d'avions de ligne est augmentée grâce à l'imposition de mouvements synthétiques pendant la formation des pilotes.

Le troisième argument est lié à la préférence des instructeurs et des pilotes en entraînement. L'acceptation subjective des simulateurs mobiles dans l'industrie demeure virtuellement unanime. Dès 1978, J.R. Hall rapporte que les pilotes préfèrent les simulateurs avec mouvements synthétiques, même lorsque de larges écrans de scènes visuelles extérieures sont installés. En 2007, l'Association des pilotes de ligne (ALPA International) publie Safety Committee Statement of Position dans lequel on peut lire : "Les mouvements synthétiques sont nécessaires parce que les pilotes évoluent dans une arène en mouvement et le système vestibulaire fournit le signal le plus puissant et le plus rapide pour le contrôle autonome du mouvement." Cette opinion est toujours largement véhiculée dans les symposiums de l'industrie. Dans l'ensemble, les experts de l'industrie se montrent généralement favorables aux stimuli provenant de mouvements synthétiques lors de la formation des pilotes. Néanmoins, Bürki-Cohen et al (2001) soulignent que les mêmes experts admettent qu'il n'existe aucun fondement scientifique à cet effet. Ajoutons que ces mêmes experts omettent systématiquement de parler des coûts.

Une citation d'un article précédent résume nos réflexions portant sur ces trois arguments. "Les réflexions et les débats concernant la valeur des mouvements synthétiques représentent un des grands échecs en facteurs humains. (...) Les études empiriques solides continuent d'être ignorées lors du design de nouveaux systèmes pendant que les recherches courantes sont dirigées vers des questions de pertinence marginale. Les analyses semblent n'avoir pour but que le désir de justifier des acquisitions décidées d'avance, plutôt que d'évaluer si de tels achats sont justifiés." (Lintern, 1987)

Ajoutons que les dépenses associées au déploiement de simulateurs de haute-fidélité avec plates-formes mobiles drainent d'importantes ressources loin des préoccupations pédagogiques importantes. S'il est admis que la qualité des instructeurs a un impact considérable sur l'entraînement, peu d'efforts sont investis pour garantir cette qualité. Typiquement les pilotes deviennent instructeurs en compagnie par l'effet combiné de l'ancienneté et de préférence personnelle. Peu de ressources sont investies pour recruter et former les pilotes instructeurs en compagnie. Ce qui demeure encore plus significatif est que, malgré l'importance du rôle de l'instructeur dans l'enseignement d'habiletés comme la Gestion des ressources du poste de pilotage, les études portant sur la fidélité des simulateurs ont ignoré le rôle de l'instructeur.

Les mouvements synthétiques sont fruit d'une R&D qui remonte à plusieurs décennies. Au-delà des délais de latence considérablement réduits depuis les 20 dernières années, le design, les algorithmes numériques et la fabrication sont maîtrisés et amortis depuis fort longtemps. Dans un marché captif comme celui des simulateurs certifiés (puisque les transporteurs aériens ont l'obligatoire légale de les utiliser), la relation entre le prix d'achat et le coût de fabrication n'est pas nécessairement linéaire. Les simulateurs complets avec mouvements coûtent jusqu'à 10 fois le prix de dispositif d'entraînement fixes équivalents. Ils nécessitent des assemblages beaucoup plus robustes pour endurer des décennies d'accélérations de toutes sortes. L'usure prématurée des composantes embarquées représente un coût récurrent pour l'opérateur. Ajoutons qu'il faut bâtir un immeuble en démesure pour accueillir les simulateurs mobiles. Il est futile d'envisager un immeuble en hauteur, l'installation doit obligatoirement être au rez-de-chaussée sur un plancher considérablement renforcé. Ainsi, les centres de formation sont déployés sur de grandes superficies, sur des terrains souvent primés en périphérie des aéroports. En plus de devoir faire l'entretien électromécanique des vérins, il faut gérer et assurer le risque de balader jusqu'à 14 tonnes d'acier dans une pièce fermée, avec des êtres humains à bord et aux alentours.

Des centaines de projets de recherche ont tenté de quantifier, sans succès, le retour sur l'investissement des milliards de dollars que l'industrie a décaissés pour l'achat de simulateurs complets. En investissant 10 fois plus dans un procédé industriel, ne devrait-on s'attendre à un rendement au moins 10 fois supérieur ? Dans les faits, peu de sujets en psychologie de l'aviation ont autant fait l'objet de recherches que les mouvements synthétiques. Dans une étude du Massachusetts Institute of Technology, Go et al (2000) concluent : " (....) les mouvements simulés n'influencent pas, de manière opérationnellement significative, la progression de la formation ou l'apprentissage."

Bürki-Cohen et al. (2011) décrivent l'engouement des pilotes en faveur des mouvements synthétiques et analysent chacun des éléments retenus par ALPA en 2007, qui notamment invoque les arguments des manufacturiers de simulateurs. Ils concluent à l'effet que les budgets donnant un large accès à des dispositifs économiques, surtout dans une perspective de pénurie de pilotes d'expérience, auraient un plus grand impact sur la sécurité du public voyageur que l'utilisation des mouvements synthétiques de plus en plus prohibitifs.

Davidson (2018) publie un sommaire de trois projets de recherche portant notamment sur la qualification de type B747-400 et impliquant la FAA, la NASA et de Département américain des transports : "Les plates-formes mobiles n'ont pas d'effets significatifs sur l'entraînement. Les autorités d'aviation civile devraient trouver des solutions plus abordables pour la formation des pilotes."

Stanley N. Roscoe (2005) , considéré comme un des pères de la psychologie de l'aviation, l'auteur du livre Flightdeck Performance, The Human Factor, dénonçait lors de son dernier passage au CQFA de Saint-Honoré : "Les chefs pilotes ont si bien vendu l'hyper fidélité des simulateurs à leurs pilotes que ces derniers en demandent toujours plus. Le législateur prend part à la danse chaque fois qu'il publie les normes nationales de formation en imposant l'hyper fidélité. Mais aucun ne pose la question : Est-ce vraiment efficace ? Les scientifiques savent très bien qu'ils peuvent désactiver la fonction de mouvement sans nuire à l'entraînement des équipages, sauf quand un inspecteur de l'aviation civile est aux alentours!"

Au-delà du nombre de pilotes à former et à tester annuellement, les coûts exorbitants d'acquisition, les contraintes physiques d'installation et les frais d'exploitation des simulateurs complets dictent la quantité de simulateurs qu'un transporteur installera. Dans une industrie soumise aux lois du marché, les profits sont toujours une préoccupation et les frais engagés dans la formation doivent être minutieusement contrôlés. Cette gestion est mise à l'épreuve lorsque les coûts d'équipements sont disproportionnés par rapport aux coûts totaux de formation. Il en résulte un rigoureux contrôle des horaires pour maximiser l'usage. Dans les faits, les simulateurs tournent 20 heures par jour ; les pilotes attendent sur la passerelle que les précédents quittent à l'heure convenue.

La demande serrée en plages horaires de simulateur laisse peu de place aux improvisations lorsque des compléments de formation sont requis, ou lorsqu'un contrôle de compétence pilote est incomplet. Depuis 30 années que JL (auteur principal) forme les pilotes vérificateurs et les pilotes instructeurs en compagnies aériennes, le manque de temps demeure la critique universelle. Les horaires de simulateur sont si chargés que les instructeurs et les pilotes vérificateurs doivent comprimer leurs interventions à la minute-près, au dépend des objectifs pédagogiques. Les instructeurs et les pilotes vérificateurs sont unanimes à l'effet que le manque chronique de temps nuit à l'enseignement de la gestion des ressources d'équipage et la gestion des menaces et des erreurs.

Chez les grands transporteurs d'envergure nationale, la multiplication de dispositifs d'entraînement abordables, à l'image de salles de classe dans une école, permettrait de réduire la pression du temps sur les épaules des formateurs et des vérificateurs. Pour les transporteurs spécialisés qui n'ont pas la masse critique permettant de justifier l'installation de simulateurs complets onéreux, l'obtention de crédits de formation en dispositifs d'entraînement fixes ouvrirait enfin, et une fois pour toute, la porte à l'élaboration de programmes de formation sur mesure, adaptés à leur spécificité opérationnelle, à moindre frais, et avec grande flexibilité de lieu et d'horaire. Des budgets directement affectés à la sécurité opérationnelle.

Des études récentes ont démontré une association entre les performances économiques des lignes aériennes et la sécurité (Fardnia, Kaspereit, Walker & Xu, 2020; Kalemba & Campa-Planas, 2019). Il demeure à déterminer si les bonnes performances économiques favorisent la sécurité ou vice versa, mais fort probablement les deux émergent d'une gestion organisationnelle de grande qualité ; ce que Weick et Sutcliffe (2001) qualifient de pleine conscience organisationnelle. Sur le plan financier, la pandémie COVID-19 a mis à rude épreuve même les compagnies aériennes les mieux gérées. En ce qui concerne les mouvements synthétiques, une ligne de pensée claire permettrait aux compagnies en pleine conscience organisationnelle de renforcer leur programme de formation à moindre coût, et par conséquent de saisir l'opportunité d'améliorer tant leur performance en matière de sécurité que leur performance financière, avec une seule décision basée sur les données probantes.

Forte de 50 années de recherche, l'opportunité historique s'offre de rectifier les exigences en matière de certification des programmes de formation. La première étape serait d'autoriser les transporteurs à désactiver la fonction de mouvements synthétiques et ne plus débourser pour l'entretien des composantes. À terme, les législateurs doivent se questionner sur le bien-fondé de chaque exigence, qu'il s'agisse des outils technologiques certifiés, des contenus de leçons, des fréquences de contrôle des compétences ou des normes de réussite. L'argent gaspillé sur les non essentiels ne sert jamais le public voyageur.

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Les mouvements synthétiques des simulateurs : une pseudoscience imposée aux transporteurs

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une pseudoscience imposée aux transporteurs