Comprendre l'Influence des Métaphores Visuelles sur les Activités Cognitives et Transdisciplinaires de Co-Conception Conceptuelle

Understanding the Influence of Visual Metaphors on Cognitive and Transdisciplinary Collaborative Conceptual Co-Design Activities

• Auteur / Autrice : Ghislain Mugisha
• Direction : Romain Pinquie, Emilie Loup-escande
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : GI - Génie Industriel : conception et production
• Date : Inscription en doctorat le 04/11/2024
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ingénierie - matériaux mécanique énergétique environnement procédés production
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire des Sciences pour la Conception, l'Optimisation et la Production de Grenoble
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Conception Collaborative et Intégrée (CCI)

Mots clés

Mots clés libres

Visualisation interactive

Ergonomie cognitive

Co-conception assistée par ordinateur

Métaphores visuelles

Adoption des technologies de RV

Co-conception conceptuelle

Interactive visualisation

Cognitive ergonomics

Computer-mediated co-design

Visual metaphors

Adoption of VR technologies

Conceptual co-design

Résumé

La phase de conception conceptuelle est critique lors du développement de nouveaux systèmes complexes à grande échelle. Avec l'adoption des approches d'ingénierie des systèmes basées sur des modèles, la conception préliminaire de systèmes complexes (ex : avions, engins spatiaux, etc) est une activité de co-conception transdisciplinaire assistée par ordinateur impliquant divers acteurs, chacun avec son expertise, ses préoccupations et schémas mentaux. Les capacités de visualisation interactive avancée sont bien établies pour les activités de conception détaillée. Cependant, lors de la collaboration sur les activités de conception conceptuelle, les parties prenantes utilisent des notations visuelles ésotériques, principalement des diagrammes 2D statiques. Des recherches antérieures ont exploré le potentiel de la RV et des visuels 3D pour les activités de co-ingénierie conceptuelle transdisciplinaire assistée par ordinateur [Wang, 2024; Romero, 2022]. Une limitation majeure de ces travaux, et de la littérature en générale, est le manque de compréhension de l'influence des métaphores visuelles sur les activités cognitives et collaboratives des membres durant la co-conception préliminaires. Ainsi, la question de recherche à développer est : comment les métaphores visuelles influencent-elles les activités cognitives et collaboratives des parties prenantes impliquées dans des situations de co-conception conceptuelle transdisciplinaire assistée par ordinateur ? Cette thèse a 3 objectifs principaux. D'abord, comprendre comment les représentations visuelles interactives influencent les activités cognitives et collaboratives des parties prenantes durant les activités de co-conception. Deuxièmement, un objectif méthodologique est de proposer un protocole pour évaluer les métaphores visuelles et des métriques pour mesurer les activités cognitives et collaboratives dans une activité de co-conception transdisciplinaire assistée par ordinateur. Troisièmement, développer des recommandations ergonomiques concrètes pour concevoir et évaluer des métaphores virtuelles et faciliter l'adoption de la visualisation interactive dans les phases de co-conception conceptuelle. Nous proposons une approche en 2 étapes combinant une approche expérimentale et écologique pour atteindre nos objectifs, chacune utilisant des méthodes objectives (observations, analyse des traces) et subjectives (entretiens, questionnaires, etc.). D'une part, nous concevrons des expériences contrôlées pour comparer les modalités de visualisation interactive, 2D/3D combinées avec des dispositifs de visualisation symboliques/iconiques et stéréoscopiques/monoscopiques, en utilisant les environnements virtuels collaboratifs développés au G-SCOP. D'autre part, nous mènerons des études avec des professionnels sur des études de cas réelles pour saisir l'influence de ces métaphores sur les activités de co-conception. Cela améliorera les connaissances actuelles sur les notations visuelles [Moody, 2009; Mendling, 2009; Green, 2016; Kim, 2000], pour lesquelles des analyses systématiques n'ont pas encore été réalisées pour évaluer l'efficacité des théories dans la pratique [Van Der Linden, 2019]. La littérature sur le travail coopératif assisté par ordinateur [Brisco, 2020; Burkhardt, 2009; Spada, 2005] et l'acceptation des technologies de visualisation interactive [Sagnier, 2020] sera également centrale. Cependant, la littérature sur les métaphores visuelles et la collaboration assistée par ordinateur dans la conception souligne que la généralité des lignes directrices existantes entrave leur application dans les domaines spécifiques. Par conséquent, la recherche vise également à les adapter aux activités de co-ingénierie conceptuelle. Enfin, mesurer l'influence des visuels sur les activités cognitives et de co-conception des ingénieurs nécessitera de bâtir une proposition sur les concepts ergonomiques existants, comme : environnement capacitant, charge mentale, prise de décision collective, etc.

The conceptual design phase is highly critical when developing new engineered large-scale systems. Indeed, decisions made during concept development establish a cost commitment of approximately 70% of a project life cycle cost. With the widespread adoption of model-based systems engineering approaches, the preliminary design of complex systems (e.g., aircraft, spacecraft, nuclear powerplant) is a transdisciplinary computer-mediated co-design activity involving various stakeholders, each with their expertise, concerns, and mental schemas. Advanced interactive visualisation capabilities are well established for detailed design activities. However, when collaborating on early conceptual engineering activities, stakeholders communicate with poorly designed esoteric visual notations, mainly static 2D diagrams encoding engineering concepts. Previous research explored the potential of VR and 3D visuals for transdisciplinary conceptual mediated co-engineering activities [Wang, 2024; Romero, 2022]. A major limitation of these contributions and the literature, in general, is the lack of understanding of visual metaphors' influence on the cognitive and collaborative activities of the members involved in these preliminary co-design activities. In response to the research gap, the research question to be further developed is: How do visual metaphors influence the cognitive and collaborative activities of stakeholders involved in transdisciplinary conceptual mediated co-design situations? Thus, the aim of this thesis is threefold. First, the fundamental objective is understanding how interactive visual representations influence the cognitive and collaborative activities of stakeholders involved in co-design activities. Second, a methodological aim is to propose a protocol for evaluating visual metaphors and metrics for measuring cognitive and collaborative activities in a transdisciplinary computer-mediated co-design activity. Third, the final goal is to develop ergonomic recommendations that provide concrete, actionable guidance for designing and evaluating virtual metaphors and ease the adoption of interactive visualisation in collaborative conceptual design phases. We propose a 2 step approach combining an experimental and an ecological approach to reach these scientific objectives, each using objective methods (behavioural observations, trace analysis) and subjective methods (interviews, questionnaires, etc). On the one hand, we will design controlled experiments to compare the different interactive visualisation modalities, including 2D/3D combined with symbolic/iconic and stereoscopic/monoscopic visualisation devices, using the up-to-date multi-modal collaborative virtual environments developed at G-SCOP. On the other hand, we will conduct studies with professional systems engineers on real-world case studies to investigate the influence of these metaphors on co-design activities. This thesis aims to improve the current body of knowledge on visual notations for conceptual modelling [Moody, 2009; Mendling, 2009; Green, 2016; Kim, 2000], for which systematic analyses have yet to be performed to assess the theories' efficacy in practice [Van Der Linden, 2019]. The literature on Computer-Supported Cooperative Work [Brisco, 2020; Burkhardt, 2009; Spada, 2005] and the acceptance of interactive visualisation technologies [Sagnier, 2020] will also be central to this thesis. However, the literature on visual metaphors and computer-mediated collaboration in engineering design emphasises that the genericity of existing guidelines hampers their domain applications. Therefore, the research also intends to tailor them to conceptual co-engineering design activities. Finally, the willingness to measure the influence of visuals on engineers' cognitive and co-design activities will require building a proposal on existing ergonomic concepts, such as operative images, environmental capacitance, mental load, collective decision-making, etc.