Quake-Catcher Network (Réseau de Capteurs Sismiques)

Détection et étude des séismes INSCRIPTION Télécharger BOINC (tutorial) URL du projet : http://qcn.stanford.edu/sensor Site officiel : http://qcn-web.stanford.edu/ Projet commun aux universités de Stanford et Californie Riverside

Pour le moment, seuls certains ordinateurs portables (équipés d'un capteur de mouvement) peuvent participer au projet :

• Les Macs portables fabriqués après le 1er janvier 2005, cette technologie équipe notamment les disques durs des nouveaux PowerBook , MacBook Pro, MacBook et iBook d'Apple.
• Les portables Thinkpad de la marque IBM ou Lenovo produits après 2003.
• Mais également certains ordinateurs portables de la marque HP où Acer assemblés après le 1er Janvier 2007

Une clef USB équipée d'un capteur de mouvement sera bientôt proposée pour environ 30$ (20€) aux utilisateurs qui ne possèdent pas un ordinateur déjà équipé de cette option. L'installation de cette clé USB sur un ordinateur de bureau, fournira ,en outre, des données d'une qualité beaucoup plus grande par rapport aux portables.

QCN fonctionne en parallèle à d'autres projets BOINC.

Lors de votre inscription, il vous faudra localiser très précisement l'emplacement de votre odinateur. Pour vous aider, n'hésitez pas à utiliser Google Earth. Tapez votre adresse et déplacez le pointeur de votre souris sur la position exacte de votre ordinateur. La latitude et la longitude devrait apparaître au bas de votre écran.

Introduction

Quake Catcher Network est un projet de recherche utilisant des ordinateurs reliés à Internet pour réaliser des recherches, partager des connaissances et s'entraider dans le domaine de la sismologie. Vous pouvez y participer en téléchargeant et en exécutant un programme gratuit sur votre ordinateur. Actuellement, seuls certains portables Mac (OS X) PPC et Intel peuvent participer au projet, ce sont tous des portables récents équipés en série d'un capteur de mouvement.

Pour les personnes qui font tourner le projet QCN sur un ordinateur portable, il vaut mieux régler le lancement du projet QCN après 3 minutes d'inactivité (voir sur les préférences de son compte) pour éviter que son activité à proximité du portable ne perturbe l'enregistrement. 

Pour les personnes qui font tourner le projet sur un ordinateur fixe grâce à un capteur relié à votre ordinateur par un câble USB. Vous pouvez faire tourner le projet QCN même lorsque vous utilisez votre ordinateur, du moment que le capteur est placé sur une surface qui n'est pas perturbée par votre activité sur l'ordinateur.

QCN est un projet commun aux Universités de Stanford et de Californie à Riverside.

L'infrastructure cybernétique fait entrer la sismologie dans les maisons et dans les écoles

Le Réseau de Capteur Tellurien (Quake Catcher Network - QCN) utilisera bientôt les ordinateurs portables et de bureau reliés à internet pour former le plus dense et le plus grand réseau sismique de calcul partagé au monde. En comparairon avec les réseaux traditionnels, le coût du projet QCN sera faible car il utilisera :

• Des sondes de mouvement (accéléromètres) déjà intégrés à beaucoup d'ordinateurs portables.
• Des accéléromètres USB presque identiques et bon marché pour les ordinateurs de bureau.

La plate-forme ouverte de calcul en réseau de Berkeley (BOINC !) met à disposition un concept libre et éprouvé pour faire
participer massivement le public à des projets de recherche informatiques. Le programme SETI@home et d'autres projets ont fournit la preuve que les individus sont particulièrement disposés à donner la puissance de calcul inutilisée de leurs ordinateurs aux projets qui en valent la peine, qui sont pertinents et pédagogiques. Du côté de l'utilisateur – et du serveur – le logiciel analyse rapidement les signaux sismiques, détecte la magnitude et la localisation des tremblements de terre significatifs et peut même prévenir les autres ordinateurs et utilisateurs du tremblement de terre avant même qu'ils ne le ressentent.

Le logiciel open-source fournira à l'utilisateur un écran de veille affichant les données sismiques enregistrées sur son ordinateur portable, les séismes récemment détectés ainsi que des informations générales dans le domaine des tremblements de terre et des sciences de la Terre. En outre, ce projet installera des capteurs USB dans les écoles élémentaires comme outil éducatif pour enseigner la science. Par une série d'expériences interactives les étudiants en apprendront davantage sur les tremblements de terre et sur les risques qu'ils présentent. Les étudiants pourront par exemple apprendre comment les ondes d'un séisme perdent en intensité avec la distance en sautant à des distances de plus en plus éloignées du capteur et en traçant l'affaiblissement de l'amplitude du signal sismique mesuré sur leur ordinateur. Nous espérons inclure un support audio pour que les étudiants puissent entendre et mieux comprendre la différence entre des signaux sismiques de basse et de haute fréquence. QCN est un outil ludique qui permettra d'impliquer les étudiants et le grand public dans la détection et la recherche sur les tremblements de terre.

Le sismomètre intégré

De nombreux portables renferment un capteur "de mouvements rapides" (Sudden Motion Sensor) ou un système de protection actif (Active Protection Systems). Bien que ces capteurs aient été conçus pour protéger le disque dur de l'ordinateur contre les chutes, les sismologues peuvent également les utiliser pour détecter des séismes. Quake Catcher Network reliera tout ces portables avec la mise en place d'un réseau coordonné qui détectera et analysera les séismes plus rapidement et efficacement.

Mon portable renferme t'il un de ces capteurs de mouvement

Si vous êtes l'heureux propriétaire d'un portable Macintosh fabriqué après le 1 Janvier 2005, c'est probablement le cas.

C'est également le cas, si vous possédez un protable Thinkpad (IBM ou Lenovo) produit après 2003.

Nous allons sous peu distribuer un programme internet open-source qui sera en mesure de vous informer si votre portable est équipé d'un "sismomètre" utilisable.

Le capteur USB

Contrairement aux ordinateurs portables, les ordinateurs de bureaux ne sont pas équipés de capteurs de mouvement. Nous devons donc les relier à des capteurs de mouvement intégrés sur des clés USB bon marché. Les capteurs USB utilisent un détecteur de mouvement similaire au détecteur de mouvements brusques (Sudden Motion Sensor) qui équipe les Macintosh portables. Le fait de relier un capteur de mouvement USB à un ordinateur offre plusieurs avantages par rapport aux capteurs des ordinateurs protables

• Les ordinateurs de bureau ne sont généralement pas déplacés aussi souvent que les portables.
• Les ordinateurs de bureau sont habituellement posés sur le sol ou sur des bureaux stables, mais les portables sont souvent posés sur les genoux.
• Troisièmement, l'accéléromètre USB est physiquement séparé du clavier, donc la frappe n'a pas d'effet sur le capteur. Si l'utilisateur le souhaite, les capteurs USB peuvent être surveillés en continu, pas seulement lorsque l'économiseur d'écran est en marche.
• Un capteur USB peut être attaché à n'importe quel ordinateur muni d'un port USB et pas seulement à un portable particulier qui posséderait un accéléromètre interne.

Trois mouvements disctincts

Les capteurs mesurent l'accélération selon 3 différents mouvements. La manière la plus simple de se représenter ces mouvements est : 1) de haut en bas 2) d'avant en arrière et  3) les mouvements latéraux, comme ceux d'un bateau qui tangue. A partir de ces  trois composantes directionnelles, il est possible de déterminer la direction de l'accélération. Si votre ordinateur de bureau n'est pas de niveau (à l'horizontale), l'accélération directionnelle mesurée peut ne pas être nulle, même si elle le devrait. C'est pour cela que notre logiciel met à zéro chacune des composantes directionnelles avant de commencer à surveiller le capteur.

L'accéleration mesure simplement les changements de vitesse d'un objet sur une durée donnée. Par exemple, une voiture de sport passe de 0 à 60 Km/h en 5 secondes. Dans le même temps, un monospace passe de 0 à 20 Km/h. Lorsque vous conduisez une voiture, vous ressentez les accélérations et les décélérations, mais vous ne ressentez rien lorsque la voiture roule à la même vitesse. Tout comme vous, le capteur de mouvement de votre ordinateur ne discerne que les changements.

Communication et transfert de données

Les ordinateurs se connectent au Réseau de Capteurs Sismiques (Quake Catcher Network) par Internet. Habituellement, lorsque le logiciel QCN  fonctionne, il n'est pas vraiment utile de transférer les données à notre quartier général. A la place, l'ordinateur surveille les données localement à  la recherche de nouveaux signaux de forte amplitude et n'envoie qu'une mesure unique et significative par signal de forte amplitude. Si le  serveur reçoit un paquet de ces mesures uniques et significatives en même temps,  c'est qu'il est hautement probable qu'un tremblement de terre est en train de se produire. Si le serveur ne reçoit qu'une seule mesure unique et significative en  provenance d'un seul ordinateur, alors il sait que le capteur USB a été secoué  par quelque chose de plus petit et de plus local (comme votre soeur qui court à côté ou une porte qui claque).

Rejoignez le réseau des ordinateurs de bureau

Bientôt, les enseignants seront en mesure de commander des capteurs USB pour leur classe. Ceux-ci ne sont pas encore disponibles pour le grand public. Une fois que vous serez en possession d'un capteur USB, vous pourrez télécharger le logiciel qui transformera votre ordinateur en sismographe dès qu'il sera connecté à l'Internet et que vous ne l'utiliserez pas.

La localisation de votre ordinateur

Lorsque vous installez le logiciel, merci de nous dire où se situe votre ordinateur (L'adresse est suffisante, mais il est préférable de connaitre votre localisation, la latitude et la longitude exacte). Dans le cas contraire, le capteur sera moins utile. Le meilleur moyen d'obtenir sa latitudes et sa longitude est de se connecter à Google Earth. Tapez votre adresse et déplacez le pointeur de votre souris sur la position exacte de votre ordinateur. La latitude et la longitude devrait apparaître au bas de votre écran.

Etre toujours à l'heure est indispensable

A peu près toutes les heures, le logiciel "Quake Catcher" s'assure que l'horloge de votre ordinateur est synchronisée avec celle de QCN. L'horloge de QCN, elle, est synchronisée avec une horloge atomique, ce qui permet à tout le réseau d'être toujours à l'heure.

Coupures électriques

Parfois, lorsque le séisme est suffisament important pour endommager les lignes électriques, il peut arriver que l'électricité soit coupée durant quelques instants. Votre ordinateur s'arrête généralement brusquement au moindre soucis électrique. Vous pouvez l'éviter en connectant la prise électrique de votre ordinateur à un onduleur. Celui-ci continuera à alimenter votre machine pendant plusieurs minutes, ce qui laissera assez de temps à votre ordinateur pour sauvegarder les données sismiques sur le disque dur et à vous pour l'arrêter proprement. Les portables pourront, quant à eux, continuer à fonctionner sur leur batterie pendant un petit moment. Quand l'électricité reviendra et que les connections internet remarcheront, le serveur de QCN pourra récupérer les données collectées pour ce tremblement de terre.

Le Développement du projet

Le projet est entré dans sa phase de développement. Les scientifiques travaillent activement pour s'assurer qu'aucun grain de sable n'entravera le chemin du développement de QCN. Voici la liste des pré-recquis :

• Développement et test d'algorithmes préliminaires au niveau des serveurs et des utilisateurs avec de vrais données.
• Un plan échelonné sur 3 ans a été accepté, il débute à partir du 1er Janvier 2008
• Les Dr Cochran et Lawrence ont demandé un financement à la fondation nationale pour la science des Etats-Unis (la NSF), pour le développement de la cyberinfrastructure de QCN, aussi bien au niveau de l'outil scientifique, éducatif et d'entraide.
• Le Dr Cochran a demandé un financement au centre de surveillance des séismes sud californien (SCEC), afin de tester un nouveau et important outil de filtrage de premier niveau qui utilisera des analyses statistiques pour déterminer à quel degré de confiance un signal naissant n'est pas représentatif d'une moyenne à long terme. Les premiers tests ont montré que la méthode prend mieux en considération les interférences variables en provenance de diverses stations que les autres méthodes basées sur des algorithmes de détection LTA/STA
• Dr. Lawrence développe les premières pages du site internet de QCN
• Carl Christensen, le programmeur de QCN, est en train d'améliorer le logiciel pour :

1. une meilleure précision à la milliseconde près grâce au protocole horaire en réseau.
2. la géolocalisation (localiser un portable avec son adresse TCP/IP).
3. plusieurs écrans de veille qui permettent de visualiser la localisation des derniers séismes.
4. les mouvements détectés par le capteur (durée, amplitude,...) soient transmis au serveur en moins d'une seconde.
5. Le logiciel fonctionne maintenant grâce à BOINC !
6. Une version alpha du logiciel éducatif fonctionne .

• Le Dr Cochran et son étudiante (Candice Vance) ont commencé à travailler sur l'accéléromètre USB qui sera utilisé sur QCN.
• Les serveurs de QCN ont été commandés, installés et fonctionnent dans la salle des serveurs (en interne seulement)

Le logiciel QCN

Nous sommes actuellement dans les premières étapes de cette expérience, nous avons effectué des progrès significatifs en relativement peu de temps. Au cours des derniers mois, les Dr. Cochran et Lawrence ont développé les bases de l'algorithme qui sera utilisé par les participants et sur les serveurs du projet.

1. Surveillance côté utilisateur des capteurs de mouvements rapides (Sudden Motion Sensors) dans les portables Macintosh avec un taux d’échantillonnage très précis. Une version du logiciel tourne actuellement sur un portable Mac à proximité de l’université de Californie à Riverside. Ce pack autonome sera bientôt disponible en téléchargement.  
 
2. Une détermination rapide et continue côté utilisateur du niveau d’importance d’un signal qui apparaît, basée sur la déviation standard du signal précédent (présumé être du bruit).  
 
3. Affichage côté utilisateur des 3 accélérations directionnelles en temps réel ainsi que le niveau d’importance du fonctionnement et des repères pour les temps de déclenchement.  
 
4. Un logiciel de vérification des événements côté serveur qui détermine si la distribution des déclenchements est anormalement élevée.

La matériel du projet

Les serveurs de QCN à Stanford (internet, chargement et base de donnée) sont maintenant hébergés au CEES, le centre de calcul de Stanford pour les sciences de l'environnement et de la Terre. Ce serveur coûte plusieurs millions de dollars.

La nouvelle salle des serveurs est maintenant en place à l'Université de Californie Riverside (Août 2007)

Des négociations sont en cours avec divers industriels pour intégrer des capteurs de mouvement dans nos clé USB (Août 2007)

Entre-aide

Les sites internets du projet QCN de Riverside et Stanford ont bien grandi en partant de 0, ils intégrent des ressources éducatives.

Les discussions avec différents éducateurs et experts de l'enseignement ont été utiles pour déterminer les meilleures approches permettant de remplir notre objectif éducatif

Les séismes récemment détectés

Durant quelques mois, nous avons fait fonctionner le programme sur un portable Mac avec un logiciel de suivi des données en provenance du capteur de mouvements brusques (sudden motion sensor). Malheureusement, le premier logiciel n'était pas stable, et nous avons eu plusieurs trous significatifs dans la couverture des événements, et par manque de chance ces trous ont lieu au même moment que des séismes régionaux se produisaient. Le premier séisme enregistré avec ce logiciel a eu lieu le 8 Août 2007, un séisme d'une magnitude de 3,7 sur l'échelle de Richter.

Sur ce graphe, vous pouvez voir : en bleu, le degré de certitude et en rouge, la composante verticale.

Quake Catcher Onepoint

Nous avons maintenant développé un ensemble de logiciel (Quake Catcher Onepoint) qui détecte les mouvements du protable Mac et produit un fichier de données 4 sac2000 (un pour chaque degré de certitude et composante). Le programme et le code open-source seront bientôt téléchargeables.

La partie éducative du projet

Quake-Catcher Network est également conçu pour apporter un contenu éducatif à même d'enseigner les séismes et la sismologie aux élèves d'une classe de primaire. Pour se faire, le projet intègre un programme interactif avec l'utilisation d'un plan de leçons par internet. L'image ci-dessous représente une capture d'écran d'un sismographe de portable en acion

Les graphiques (du bas vers le haut) représentent les mouvements x,y,z du capteur, le degré de certitude des mouvements par rapport "au bruit de fond". Chaque graphique représente une durée d'une minute

Visualisation des séismes sur un globe

Les vues de jour et de nuit permettent aux élèves de rechercher les derniers séismes qui ont eu lieu sur la planète. Il est plus facile de s'orienter sur la vue de jour, mais la vue de nuit permet repérer les zones densément peuplées. Elle permet de prendre conscience que régulièrement des séismes ont lieu à proximité de zones peuplées.

Les lignes roses représentent les zones de tension entre les plaques continentales. La plupart des séismes ont lieu le long de ces zones, les plaques coulissent les unes sur les autres.

En cliquant sur un de ces séismes (point rouge), vous pouvez en apprendre plus sur le séisme en question. En double cliquant dessus, vous serez orientez vers le site du USGS, le réseau américain de surveillance des séismes.

Les participants aux recherches

Universitaires

• Elizabeth S. Cochran, Laboratoire des Sciences de la Terre, Université de Californie, Riverside.
• Jesse F. Lawrence, Laboratoire de Géophysique, Université de Stanford.

Spécialistes de l'éducation

• Jennifer Saltzman, Ecole des Sciences de la Terre, Université de Stanford

Programmeur en chef du programme

• Carl Christensen, Ecole des Sciences de la Terre, Université de Stanford

Postdocs et deuxièmes cycles

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