Partie 3 La réalisation de visualisations
A. L‟analyse en type de donnée des vues métro et carte de routes aériennes
Quand un utilisateur veut prendre le métro, il cherche à répondre à cette question : « Où se trouvent les stations les plus proches ? » La réponse est une liste ordonnée (O) de stations, de la plus proche à la plus éloignée. Lorsque l‟utilisateur souhaite se rendre d‟un point A à un point B, il doit alors répondre à ces questions : « Quelle ligne passe par A ? Quelles lignes passent par B ? Quelle est la direction de chaque ligne ? Quelles sont les
changements de lignes ? Quel est le temps estimé de trajet ? ». Les réponses à ces questions sont une liste de lignes de métro (N), leurs directions (N), les connexions (N, O) et les noms des stations (départ, changement, arrivée) (N, O pour l‟estimation du temps). Quand on se déplace à l‟aide du métro, les utilisateurs cherchent à connaitre leur position courante et par extension savoir s‟ils sont proches de leur destination. Ainsi la réponse à la question « Où suis-je ? » est le nom d‟une station (N). Pour la question
« Combien de stations me reste-t-il avant ma destination ? », la réponse est un nombre (Q), correspondant à la longueur d‟une liste de stations ordonnées (O).
Cette analyse permet de mieux comprendre et de lister les tâches que doivent remplir les cartes de métro. De plus la décomposition en Q, O, N permet de mieux comprendre les choix de design avec la théorie des échelles [Stevens, 1946] ou la sémiologie graphique [Bertin, 1983].
1. Analyse de la tâche des contrôleurs aériens en la comparant aux tâches des utilisateurs des vues métro
Les contrôleurs aériens utilisent dans leur environnement des systèmes de visualisation complexes qui doivent être compréhensibles avec un minimum de charge cognitive.
L‟activité principale des contrôleurs est d‟assurer un espacement minimum entre les avions. Les avions suivent des routes (Flight Routes : FR) publiées par les instances de régulation. Ces routes sont des séquences de balises (point géographique avec une altitude). L‟image suivante montre les FRs d‟un secteur de contrôle, telles que représentées sur une carte publiée.
Les routes aériennes sont très importantes pour les tâches des contrôleurs : elles permettent de prévoir les positions futures des avions, et donnent aussi une vue globale des flux de trafic aérien. Les FR sont nombreuses et s‟entremêlent, c‟est pourquoi leur représentation sur la vue radar est difficile : elles sont trop prégnantes par rapport à l‟affichage des comètes radar. Leur représentation est incompatible avec les critères de sécurité pour les Contrôleurs Aériens. La représentation des FR à l‟aide d‟une vue métro est potentiellement une solution, mas ne peut pas être réalisée avec une vue métro classique, car il y a trop de différences entre les FR et les lignes physique des métros :
Station de métro / balise aérienne : les stations sont réparties géographiquement pour maximiser le service à l‟usager, alors que les balises sont parfois très proches les unes des autres. De plus les réseaux formés par les FR sont bien plus hétérogènes que ceux formés par les lignes de métro (réseau en étoile ou en anneau).
Les stations de métro sont espacées régulièrement pour assurer une desserte efficace. Les balises sont quant à elles réparties de façon non homogène le long des routes aériennes.
Les FR ont beaucoup de croisements, car elles sont plus nombreuses que les lignes de métro.
Les FR ont beaucoup de connexions. Les stations de métro ont rarement plus de 5 connexions.
Les FR sont nombreuses et partagent souvent les mêmes sections mais à des altitudes différentes. En effet, La dimension verticale des routes aériennes est plus simple à exploiter que pour les lignes de métro (coûts de construction prohibitifs).
2. Optimisation
Nous avons utilisé la technique du recuit-simulé [Kirkpatrick et al., 1983]. Cette technique essaie de minimiser une liste de coûts en modifiant itérativement la visualisation. D‟après l‟analyse de l‟activité des contrôleurs, nous avons identifié cet ensemble de coûts à minimiser :
Proximité topologique : la position des balises doit être la plus proche possible de la position réelle. Si la vue produite diffère grandement de la vue radar, cela va
créer un décalage avec la perception mentale du contrôleur. Dans les vues métro, les stations sont souvent espacées de façon régulière, ainsi la proximité topologique est normalement respectée. Ce coût est exponentiellement croissant en fonction de la distance entre la position réelle des balises et leur représentation à l‟écran.
∑ ( ( )
)
| |
B est l‟ensemble des balises du secteur, b et b‟ sont respectivement la position initiale et modifiée d‟une balise. Dist(b,b‟) est la distance euclidienne entre balises. Cdist et Maxdist sont des constantes fixées empiriquement. Cdist correspond au déplacement acceptable sans pénalité et Maxdist est la distance à partir de laquelle la pénalité est maximale. |B|
est le nombre de balise du secteur. La fonction erf est la fonction d‟erreur de Gauss suivante.
Direction : la représentation devient plus claire quand toutes les directions des tronçons des FR sont proches de la vue octolinéaire (0, 45, 90, …, 315, 360°).
Pour chaque segment des FR, ce coût augmente linéairement en fonction de sa distance au plus proche angle octolinéaire.
∑ ( )
| |
E est l‟ensemble des tronçons de route, |E| est son nombre. Dir(e) est son angle octolinéaire.
Courbure : les lignes droites sont des représentations à privilégier pour afficher les routes. Le coût associé à la courbure augmente quand l‟angle entre deux segments consécutifs d‟une FR s‟éloigne de l‟angle plat (180°).
∑ ( )
| |
A est l‟ensemble des angles entre deux tronçons de route consécutifs, |A| son cardinal.
Bend(a) est la valeur de l‟angle entre deux tronçons.
Densité : une spécificité du domaine de l‟ATC est la forte densité de balises dans certaines zones. Cette densité est incompatible avec une visualisation lisible.
Considérant une balise, ce coût augmente avec la proximité d‟autres balises.
∑ ( ( )
)
| |
Cden et Maxden sont des constantes fixées empiriquement. Maxden est la distance minimale entre deux balises. La fonction d(bi,bj) est la distance entre deux balises. B est l‟ensemble des balises du secteur, |B] est sont nombre.
Croisement : ce coût compte le nombre de croisements pour une FR (et normalisé par le nombre de tronçons). Ce critère est le même que pour la génération de vue métro classique mais avec une pondération plus forte pour le domaine ATC.
La visualisation suivante affiche les routes aériennes avant leur optimisation :
Même avec l‟utilisation du recuit simulé, l‟optimisation de tous ces coûts est difficile. En analysant l‟interdépendance des coûts, on remarque que le coût de croisement est le moins dépendant des autres. C‟est pourquoi nous avons décidé de séquencer l‟optimisation en deux parties : d‟abord l‟optimisation géographique (on place les balises), puis l‟optimisation pour décroiser les routes. Ainsi l‟optimisation de placement étale les balises sur la surface de la vue sans trop les éloigner des positions d‟origines et en essayant d‟obtenir des routes droites. L‟image suivante montre la visualisation produite après la première phase d‟optimisation : l‟optimisation géographique.
Une première analyse permet de voir qu‟effectivement les balises sont bien réparties sur la surface de la vue (pas de balises trop proches les unes des autres). La vue est plus octolinéaire et les routes sont redressées. Bien qu‟il y ait un gain évident de clarté de la
vue (elle est plus lisible), elle reste insatisfaisante car elle contient trop de croisements qui empêchent de suivre facilement une route du regard.
La deuxième phase permet de réduire le nombre de croisements. Contrairement à la première phase, il est impossible de déplacer les balises. La seule possibilité est de changer la largeur des balises et de permuter l‟ordre d‟apparition des routes sur la balise.
3. Premier résultat et perspectives
Dans ce chapitre, nous avons mis en œuvre une méthode pour cette génération. Nous avons décrit une démarche structurée pour la réalisation de visualisations en partant de l‟analyse des tâches des contrôleurs aériens, l‟analyse du design des vues métro standard, puis l‟adaptation dans un domaine spécifique avec une formulation mathématique.
Nous avons évalué la visualisation réalisée avec des contrôleurs aériens pour vérifier si la topologie était respectée, et si la vue produite semble plus claire que la vue initiale. Cette évaluation reste pour l‟instant très subjective mais est suffisante pour valider la démarche. Les vues ainsi réalisées sont une première étape qui peut servir dans les phases de formation pour les contrôleurs et ainsi donner une vue globale des routes