Rawad Chaker

De l'usage des TIC au capital humain : l'expression des compétences dans l'économie immatérielle

Introduction

L'usage des TIC, l'exploitation du capital humain et la prise en compte de l'importance des apprentissages informels, apportent aujourd'hui de nouvelles perspectives de recherche en sciences de l'éducation autour de la reconnaissance des compétences et de leur évaluation [START_REF] Carré | L'apprenance, vers un nouveau rapport au savoir[END_REF][START_REF] Gorz | L'immatériel[END_REF]. Il est nécessaire d'analyser comment l'ère numérique, à travers le développement de nouveaux secteurs et de modèles économiques, conduit à la modification de l'organisation du travail et à la mutation des identités professionnelles. Ces nouveaux métiers nécessitent des compétences spécifiques en TIC, en termes de manipulation et d'approche, et de flexibilité pour l'acceptation des usages de technologies sans cesses renouvelées. Dans cet article, nous tentons de mettre en lumière les différentes phases qui jalonnent le passage de l'usage et la maîtrise des TIC dans la formation d'un capital humain. Nous émettons l'hypothèse que l'activité médiatisée permet une expression des compétences qui mène à leur reconnaissance socioprofessionnelle. Cette dernière permettant d'exploiter le capital humain sur le marché du travail. Nous montrons d'abord en quoi l'entrée dans l'ère numérique bouleverse l'activité humaine dans son ensemble, à travers l'avènement de l'économie immatérielle, puis nous tentons de vérifier nos hypothèses à la lumière de deux travaux portant l'un sur les compétences liées à l'usage des TIC et la reconnaissance professionnelle, et l'autre sur l'expression du capital humain à travers des dispositifs de gestion des compétences en organisations.

Transformations des logiques d'action dans l'ère numérique et l'économie immatérielle

Parler de bouleversement de l'activité humaine nous conduit, ici, à porter un regard sur les déterminants de notre société qui ont amené des transformations remettant en question l'organisation de l'économie. Plus précisément, nous nous attachons à ce qui touche la gestion de l'humain et la production de valeur dans les milieux socioprofessionnels.

Logique de l'immatèriel, production de valeur et capital humain

Depuis le début des années 90, de nouvelles pratiques et préoccupations ont intégré les discours manageriaux et professionnels. En effet, le discours du management des années 90, ou néomanagement, s'inscrit comme une offre de libération de l'individu (du moins du salarié). L'entreprise se targue ainsi de devenir un lieu de construction de sens, de finalités partagées, où chacun peut à la fois développer son autonomie personnelle et contribuer au projet collectif (Boltanski et Chiapello, 1999). C'est l'univers du réseau et du projet qui émerge dans l'organisation des structures professionnelles. C'est aussi le développement de la GRH (initiée dès le début des années 80), la Gestion des Ressources Humaines, qui transforme, en un sens, le regard porté sur l'Homme en entreprise. Il s'agit d'un nouveau modèle de société et d'économie, un paradigme informationnel qui décrit le projet d'un homme nouveau dans une nouvelle société [START_REF] Breton | la société de la connaissance" : généalogie d'une double réduction » in Padioleau « La société de la connaissance et l'école[END_REF]. Ce paradigme englobant des savoirs à la fois techniques, scientifiques et philosophiques, place les nouvelles technologies au centre de la promotion de cette nouvelle société. Cette dernière est en outre fondée sur la connaissance et l'innovation, l'apprentissage étant au coeur du développement économique. La connaissance est présentée comme un phénomène endogène à l'économie, cette conception s'inscrit, également, par ce qui a été développé à travers le capitalisme cognitif : « une forme émergente de capitalisme dans laquelle l'accumulation, c'est-à-dire la dynamique de transformation économique et sociale de la société est fondée sur l'exploitation systématique de la connaissance et de l'information nouvelle » [START_REF] Moulier-Boutang | Le capitalisme cognitif -La Nouvelle Grande Transformation[END_REF]. Ou ce que Philippe [START_REF] Carré | L'apprenance, vers un nouveau rapport au savoir[END_REF] appelle la société cognitive et ses quatre idées forces. Premièrement, la réussite des individus passe par le développement de l'apprentissage et des compétences en permanence. Deuxièmement, ce développement doit intégrer et exploiter tout le potentiel des TIC. Troisièmement, l'apprentissage ne doit plus être réduit aux situations formelles d'enseignement mais s'étendre à toutes les circonstances de la vie professionnelle et citoyenne. Quatrièmement, l'individu est appelé à devenir sujet social apprenant, coresponsable de sa formation. Cette vision s'inscrit dans le courant sociologique constructiviste dans lequel les sujets sociaux sont privilégiés ainsi que la dynamique de leurs actions intentionnelles. C'est considérer une émergence du sujet social de plus en plus libéré des institutions sociales traditionnelles, que Joffre Dumazédier (1985) décrivait comme sujet social apprenant qui prend de plus en plus de pouvoir sur ses propres moyens de formation. À travers une focalisation nouvelle sur un principe de formation tout au long de la vie, nous assistons à l'émergence de l'individualisation de la formation, qui offre au sujet les moyens d'accéder à des parcours de formation à tous les stades de la vie (personnel et professionnel). Considéré, de plus en plus, comme une ressource à développer plutôt qu'un coût à minimiser, le capital humain devient la ressource productive essentielle des organisations. Le terme de capital humain, issu d'une théorie économique appliquée au choix éducatif (Becker, 1964), est particulièrement utilisé, depuis les années quatre-vingt dix, tant par des organisations mondiales que dans le milieu des entreprises, pour désigner les compétences d'un individu ainsi que ses caractéristiques personnelles pouvant être optimisées au sein de la société [START_REF] Tom | Du bien-être des nations, Le rôle du capital humain et social[END_REF].

Le capital humain englobe l'ensemble de l'activité humaine, des choix d'appartenance à un réseau à tout ce qui structure l'indvidu… [START_REF] Garaffa | L'individu dans les sociétés du savoir: regard sociologique sur l'éducation à travers le concept de capital[END_REF]. Autrement dit, le capital humain, c'est "ce que je suis", en tant qu'individu, "ce que je possède", en termes de qualités, diplômes... et "ce que j'arrive à en faire", du moins, comment je l'investis, notamment dans mes projets professionnels. La question principale étant de savoir ce qu'on est capable de mesurer, est-ce réellement ce qu'on a choisi de mesurer et surtout, qu'est-ce qu'on en fait ? En définitive, pour le capital humain, c'est s'intéresser, en premier lieu, à sa représentation et ce qu'il donne à voir à travers son expression mesurable. En second lieu, c'est s'interroger sur les répercussions de son expression mesurable dans des dispositifs socio-professionnels mis en place en organisations. Qu'il soit qualifié de bien partiellement non marchand jouant un rôle important dans la définition du bien-être sociétal ou d'outil intéressant dans une approche plus patrimoniale de la richesse [START_REF] Boterf | Repenser la compétence pour dépasser les idées reçues : quinze propositions collection ressources humaines[END_REF], le capital humain s'intègre dans un corpus théorique tout autant que dans une représentation de nos sociétés actuelles. Dans cette logique, l'OCDE "affirme" que la notion de capital humain souligne avec force l'importance des personnes dans les économies sur le savoir et les compétences. Ce qui s'intègre totalement dans la logique de valorisation d'actifs non matériels, tant pour le monde de l'entreprise que pour l'économie en général, à travers la reconnaissance d'une dimension invisible [START_REF] Thierry | La dimension invisible, le défi du temps et de l'information[END_REF] qui va prendre de plus en plus de place dans la production. Autour d'une logique de l'immatériel qui définit de "nouvelles règles d'organisation, de compétition et de valorisation" (Goldfinger, 1994) c'est la créativité, la qualité, le savoir-faire et la réputation des équipes qui déterminent la valeur des entreprises. Mutations des modes de production, remise en question des modes d'exploitation des ressources, le coeur de la création de la valeur tend à s'inscrire dans une dématérialisation de l'économie. Pour l'économiste André Gorz, "le coeur de la création de valeur est le travail immatériel" puisque, pour lui, "travailler c'est se produire". Plus encore, "en devenant la base d'une production de valeur fondée sur l'innovation, la communication et l'improvisation continuelles, le travail immatériel tend finalement à se confondre avec un travail de production de soi" [START_REF] Gorz | L'immatériel[END_REF]. Ainsi, ces transformations, marquant l'émergence de paradigmes nouveaux, ont de fortes répercussions sur la production de l'individu social : premièrement, dans ses logiques de fonctionnement et, deuxièmement, dans ses attentes en termes de reconnaissance et de construction identitaire.

Logique communicationnelle et informationnelle:

Sphère professionnelle

Nous sommes ainsi passés progressivement de l'analyse du travail et des professions vers le fonctionnement des marchés du travail (Dubar, 1991, p.179). Ce modèle d'analyse donne la définition suivante du capital humain : le salarié est conçu comme un gestionnaire d'un capital qu'il constitue à partir d'investissements et dont les services, combinés à ceux du capital matériel, sont transformés en produit (salaires) (Silvestre, 1978). L'intégration des TIC dans l'organisation du travail va alors jouer un rôle crucial sur les nouveaux besoins des entreprises en termes de capital humain. Des nouvelles compétences vont alors être requises non seulement en tant que bagage individuel, mais également afin d'intégrer les réseaux sociaux et de trouver un emploi, justement à l'aide de ces nouveaux outils. L'ascension fulgurante des TIC dans la société a conduit à l'établissement de normes de nouvelles conduites et d'usages technologiques justement en phase avec ces nouveaux outils. Leur utilisation est ainsi devenue une norme aussi bien dans le milieu professionnel que dans le milieu domestique. Les TIC sont le symbole de tous les changements majeurs qui ont eu lieu dans le monde du travail durant ces vingt dernières années : changement dans les modes d'organisation, émergence des entreprises réseaux, externalisation, développement des services, automatisation des tâches informelles, codification des tâches, polyvalence, flexibilité, etc. Dans les années 90, l'intégration organisationnelle des TIC en termes d'intranet et de besoins d'expertise ont contribué au développement de la culture d'entreprise (objectifs communs, la qualité totale, polyvalence). Enfin, dès le début des années 2000, l'économie numérique et l'explosion de la bulle Internet ont permis la création de nouveaux modèles économiques, comme le commerce électronique ou les entreprises virtuelles (ouverture vers le monde extérieur et liaisons des différentes organisations entre elles, que ce soit dans un processus de commande commerciale (EDI, e-business) ou de projets communs (groupware, extranets, etc.)). Avec l'évolution des identités professionnelles et l'apparition de nouveaux métiers nécessitant des compétences diverses en matière de TIC, l'on doit s'interroger sur les conditions d'accès à ces métiers, notamment au travers des critères de sélection. C'est pourquoi la question de la formation aux TIC, qu'elle soit d'initiative domestique ou au sein d'une formation initiale, peut dans cette logique paraître pertinente dans une optique d'insertion ou de ré-insertion professionnelle. D'autant plus que, comme le rappelle [START_REF] Paul | La formation continue favorise-t-elle l'augmentation du salaire?[END_REF], c'est essentiellement la formation initiale qui est utilisée comme critère de sélection par les employeurs. L'émergence des TIC a conduit à celle de nouveaux métiers et donc de nouveaux besoins dans le marché de l'emploi. Ces derniers éléments ont créé des nouvelles dynamiques, parcours et différents domaines de professionnalisation, et l'évolution incessante de la technologie et des techniques de production contraignent sans cesse le marché à une évolution et à une adaptation rapide à ces nouvelles technologies dans leur organisation et mode de fonctionnement. Mais la maîtrise de ces nouveaux outils est-elle synonyme de nouvelles identités professionnelles? [START_REF] Ruellan | La presse locale assistée par ordinateur[END_REF] ont pris comme exemple les rédactions des quotidiens de province en France, pour étudier l'impact que les TIC peuvent avoir sur les mutations organisationnelles liées à leur introduction. Autrement dit, que changent les nouveaux outils de production dans le processus social de fabrication et de diffusion de l'information par le journal local (idem.) ? Ils posent donc la question de savoir si l'intégration de nouveaux outils entraîne des nouvelles identités professionnelles. Les auteurs se penchent d'abord sur la formation des usages : pour cela on doit se pencher sur les interactions entre les technologies, les convergences d'intérêt des acteurs ainsi que les usages potentiels. Il ressort que c'est la culture prééminente dans l'entreprise qui va conditionner la constitution des usages (découverte, formation, appropriation) (idem). Or, pour [START_REF] Dubar | La socialisation, Construction des identités sociales et professionnelles[END_REF], les quatre éléments de base de l'identité professionnelle sont la nature des tâches, la conception du rôle, l'anticipation des carrières, et l'image de soi. Ainsi, l'intégration des TIC dans l'organisation professionnelle impacte chacune de ces dimensions. Les technologies font évoluer la nature des tâches, puisqu'elles modifient la façon de faire. Avec cette modernisation, c'est l'organisation toute entière du travail qui est bouleversée. Donc de par là-même la conception du rôle que l'individu va jouer dans cette nouvelle organisation. Les TIC vont en outre devenir un élément à prendre en compte dans le choix des formations, ainsi que dans le choix de suivre une formation continue, pour faciliter la mobilité professionnelle. On anticipe les carrières à la lumière des compétences et profils que requiert le marché de l'emploi, ou l'entreprise dans laquelle l'individu travaille déjà. Quant à l'image de soi, notion connexe de celle de reconnaissance, elle peut être influencée positivement si l'on considère les TIC et leur maîtrise comme une gageure moderniste, puisque le travail ne devient plus manuel au sens strict mais digital. Cette nouvelle identité requiert logiquement une souplesse professionnelle afin de passer outre les résistances qui empêcheraient la migration et l'évolution vers de nouveaux outils de travail, et fait appel à des compétences et connaissances qui doivent être mobilisées dans le cadre professionnel (productiviste), même si elles ont été acquises dans un cadre domestique [START_REF] Chaker | Les effets de l'usage des TIC sur les compétences et l'insertion socioprofessionnelle[END_REF].

Sphère privée

L'usage des TIC conduit les individus à adopter des comportements nouveaux, à s'inscrire dans une logique particulière alliant volonté de communiquer avec autrui et volonté d'appartenance à une communauté d'utilisateurs. D'un côté, ces nouveaux types d'usages conduisent les utilisateurs domestiques à développer de nouvelles compétences. De l'autre, l'activité médiatisée que représente la communication avec les TIC, pourrait peut-être permettre à l'individu de s'inscrire dans un mode communicationnel qui mettrait en jeu, au travers les rapprochements individuels par delà les distances, des rapprochements communautaires (notamment avec l'apparition des communautés virtuelles). S'inscrire durablement dans une communauté, même virtuelle, s'apparente en effet à une insertion dans un milieu ou un groupe d'individu, donc à une insertion sociale. Intéressons-nous aux travaux de Barabasi (2002), qui a introduit l'idée du « scale-free network », ou réseau sans échelle. Les individus faisant usage de portails Internet de réseaux sociaux se retrouveraient selon lui dans une situation de réseautage dans laquelle tout ce monde est connecté, mais où apparaît une sorte de hiérarchie de noeuds, un tout petit nombre d'« échangeurs » (« hubs ») très connectés, puis un nombre de plus en plus important de noeuds moyennement ou peu connectés. Le réseau permettrait alors non seulement à des personnes non vouées à se croisées normalement, à être connectées par le bien de « noeuds » communs, mais également de positionner ces personnes à la même échelle. La légitimité classique de connaissances et de réseau social se retrouve alors dissoute dans un océan de connexions, ce qui conduit naturellement au décuplement du capital social de l'individu connecté. Les échelles hiérarchiques entre les personnes « de grande importance » existantes dans le monde réel, se retrouve donc mise à plat dans un système de réseau virtuel, ces personnes ne faisant plus qu'office de « noeuds » de grosse importance, permettant l'interconnexion d'un nombre important de personnes. Dans cette logique, des personnes qui possèdent beaucoup d'amis sur les portails de réseaux sociaux se trouvent alors être des noeuds. On peut associer cette force à une qualité, et dans la logique de possession d'un capital social, à une compétence : celle de la popularité. [START_REF] Feenberg | penser la technique : vers une technologie démocratique[END_REF] expose la théorie des réseaux de [START_REF] Latour | Aramis ou L'amour des techniques[END_REF] : « les objets techniques ne sont pas des « choses » au sens habituel du terme, mais des noeuds dans un réseau qui inclut aussi bien des humains que des dispositifs jouant des rôles enchevêtrés ». Il continue plus loin : « (…) les groupes sociaux ne précèdent pas et de constituent pas la technique, mais émergent avec elle ». Cette formule appliquée aux TIC, on peut considérer alors qu'elles favorisent la création de groupes comme les communautés virtuelles, qui, à leur tour, favorisent le développement de techniques allant dans le but de leurs intérêts (mais aussi de termes langagiers propres à la technique et à la communauté d'intérêts) qui participent au développement et à l'évolution des pratiques : internes au groupe dans un premier temps, mais étendu à l'ensemble de la sphère technique dans un deuxième temps et aux autres groupes sociaux. Comme par exemple sur Internet avec comme groupes la multitude de communautés virtuelles. Selon [START_REF] Latour | Aramis ou L'amour des techniques[END_REF], et comme repris par la suite par De [START_REF] Certeau | L'invention du quotidien[END_REF], la pratique est interdépendante du groupe social. De son côté, Barabasi (2002) affirme que dans un système en réseau, les personnes connectées constituent des noeuds (plus ou moins gros) et font office de « hubs » dans les relations sociales virtuelles. Latour affirme à son tour que les objet techniques ne sont pas des « choses » mais des noeuds dans un réseau incluant aussi bien des humains que des dispositifs technologiques. En associant ce discours sur la technique et celui de Barabasi sur les TIC, on pourrait alors dire qu'avec les TIC, le capital social et la pratique technique sont entre-mêlées. D'où l'affirmation que le capital social est une forme de compétence dans une société en réseau.

Porosité entre sphère privée et professionnelle

À un méta-niveau, il y a différents facteurs à prendre en compte pour l'organisation du travail avec les TIC, comme l'aspect de l'appropriation et des usages des outils de travail, et de leurs représentations sous-jacentes de la part des acteurs, qui sont un facteur d'acceptation des technologies (ou de facteurs à prendre en compte pour la prévisibilité des usages). L'emploi domestique d'un outil informatique peut se faire dans le cadre d'un usage ou d'une utilisation. L'usage a une connotation de pratique, d'habitude, alors que l'utilisation a un caractère occasionnel ou conjoncturel. L'appropriation se rapproche davantage du terme usage, puisqu'il met en jeu un certain degré de maitrise, de fréquence de pratique, et surtout de capacité de création et de détournement de l'objet de son but initial [START_REF] Chaker | La transmission des pratiques technologiques dans l'ère numérique : une dialectique entre normes sociales et apprentissages informels[END_REF]. C'est cette appropriation qui va mettre l'usager en condition pour le développement de compétences, qui vont apparaitre selon la nature de l'outil et de son usage. Ainsi, dans une logique de pure technicité, l'individu qui va pratiquer certains logiciels au niveau domestique (ou scolaire), va être plus à même de reproduire ces comportements dans un cadre professionnel. Les nouveaux modes de production et de fonctionnement des entreprises ou des institutions requièrent, pour leur personnel, un minimum de savoir-faire et de connaissances informatiques. Cela va des simples logiciels de bureautique (tableurs, traitement de textes, présentation, etc...) à des logiciels particulièrement usités dans des spécialisations ou corps de métier (logiciels de retouche d'images, Autocad pour les architectes, etc...). Aussi, ces nouveaux usages conduisent à repenser les modes d'expression, de reconnaissance et d'évaluation des compétences [START_REF] Chaker | Les effets de l'usage des TIC sur les compétences et l'insertion socioprofessionnelle[END_REF].

De la nécessité de repenser l'approche par compétences

Reconnaître les compétences s'apparente surtout à identifier un ensemble de ressources et à porter un jugement sur cet ensemble. Cette identification, ainsi que les formes de jugements attribuées, s'intègrent, plus globalement, dans une gestion de l'humain où logique de l'immatériel et société des savoirs viennent structurer un rapport au monde bousculant des logiques d'action tant sur un plan économique (la connaissance devient un bien économique) que sociologique (l'individu devient producteur et consommateur de connaissance). L'individu se retrouve ainsi moteur et condition du développement socio-économique de nos sociétés à travers son capital humain, c'est à dire un ensemble de ressources incorporées principalement identifiable à travers des actions effectuées « avec » compétences. Ces dernières permettent de proposer une expression mesurable du capital humain représentant, également, un ensemble de ressources incorporées mais dont on peut estimer (ou juger) la mobilisation dans une mise en oeuvre pratique, c'est à dire une activité, une situation concrète. Soulignons que les compétences ne peuvent être dissociées du processus d'évaluation qui les structure, lui-même engageant nécessairement une question de valeur et d'estimation de valeur. Le processus d'évaluation des compétences ainsi que les jugements qui le constituent portent sur la manière dont, concrètement, le sujet qui travaille négocie son rapport avec le réel du travail. Ce dernier renvoie à l'interprétation d'une réalité pour l'individu (comme pour l'organisation) articulant estimation de compétences et interprétation d'une situation. Aussi, les compétences sont entendues comme un ensemble de ressources incorporées dont on peut estimer (ou juger) la mobilisation dans une mise en oeuvre pratique, c'est à dire une activité, une situation professionnelle qui sera jugée efficace, conforme, voire belle ou singulière se référant à des principes d'action engagés, a minima, dans trois registres de rationalité: instrumental, moral-pratique et expressif s'inscrivant, respectivement, dans un rapport au monde se voulant objectif, social et/ou subjectif [START_REF] Dejours | Le facteur humain, Que sais-je ?[END_REF]. Autrement dit, l'évaluation de cet ensemble de ressources ou du capital humain s'inscrit dans un processus d'interprétation, engageant l'individu dans des logiques d'action où son rapport au monde, aux normes et à l'estime de soi interrogent les déterminants d'une reconnaissance socioprofessionnelle, exprimée, notamment, par des compétences. L'intérêt étant alors de s'interroger sur les modalités d'expression de ces compétences.

De l'expression des compétences au capital humain

L'expression par les compétences englobe une double perspective autour de ce qui est attendu (par l'individu, l'entreprise, normes...) et de ce qui est effectif (action réalisée, visible), le processus d'évaluation étant perçu comme créateur de sens et faisant le lien entre les deux. Autant dire que ce processus tend vers une interprétation globale de l'intelligibilité des comportements et des conduites humaines en situation concrète [START_REF] Dejours | Le facteur humain, Que sais-je ?[END_REF]. C'est prendre en considération tout ce qui est inhérent à l'individu (un ensemble quasi incommensurable de ressources incorporées) et tout ce qui, pourrions-nous dire, le transcende dans l'action (ce qui détermine les logiques d'action).

Présentation des études empiriques

Le travail d'analyse a consisté à mettre en perspective trois axes d'interpretation de l'expression par les compétences. Premièrement, une interprétation autour d'un agir avec compétences (Le [START_REF] Boterf | Repenser la compétence pour dépasser les idées reçues : quinze propositions collection ressources humaines[END_REF] référençant les contextes et conditions d'expression des compétences. Deuxièmement, les éléments permettant de justifier la démarche d'expression des compétences et, avec elle, les logiques d'actions qui en découlent (Aubert, 1993 ;Vial, 2003). Troisièmement, une interprétation proposée à travers le modèle des économies de la grandeur (Boltanski et Thèvenot, 1991). Tout d'abord, car ce modèle expose, précisément, une justification autour des formes de légitimité sur lesquelles peuvent s'appuyer les personnes pour fonder leurs critiques et justifier leurs accords en pratique. L'apport majeur pour notre analyse concerne l'interprétation des compétences comme moyen d'identifier des situations autour de l'idée qu'elles représentent le sens du commun ou le bien commun sur lequel se fonde les personnes pour justifier leurs actions. Ensuite, parce que ce modèle s'articule autour de la compréhension des principes ou des valeurs de références, c'est à dire les grandeurs, sur lesquelles les individus peuvent s'appuyer pour se situer dans une action. Nous proposons deux illustrations de l'expression des compétences. La première constitue une analyse quantitative de l'impact de l'usage des TIC sur l'insertion socioprofessionnelle. La seconde est une étude qualitatitive proposant un regard sociologique sur l'utilisation du terme du capital humain depuis les années 60 jusqu'aux années 2000, axée sur l'analyse de dispositifs de gestion de compétences en organisations.

Usage des TIC, expression des compétences et reconnaissance socioprofessionnelle

Nous avons entrepris de vérifier dans quelle mesure les compétences liées à l'usage des TIC conduisent à une reconnaissance professionnelle. Pour cela, nous avons établi un questionnaire à l'attention d'une population composée de jeunes libanais âgés entre 18 et 35 ans, faisant partie de la population active. Le choix du Liban a été fait car ce pays présente un terrain de choix puisque touché sévèrement par le phénomène du chômage. Il est intéressant de vérifier si la variable technologique est déterminante dans le processus d'insertion socioprofessionnel individuel. À partir des réponses au questionnaire, nous croisons statistiquement chaque variable d'insertion sociale et professionnelle avec chacune des variables TIC. C'est à l'aide du test du Khi², en validant ou non le test d'indépendance entre deux variables, que nous pouvons établir certaines implications statistiques, notamment des relations de dépendance entre les variables technologiques et les variables de reconnaissance socioprofessionnelle. Il est nécessaire d'insister ici sur la relation existante entre les dimensions informationnelles et interactionnelles de l'activité professionnelle, et leur extension au niveau domestique, à travers l'usage de réseaux sociaux virtuels et la lecture d'informations permise par l'accès aux savoirs grâce à Internet (développement du capital culturel), comme nous l'avons vu précédemment avec le phénomène de porosité de pratiques entre ces deux contextes. Parmi les résultats obtenus, nous pouvons citer comme exemple les liens de dépendance entre les usages des logiciels de bureautique (et la fréquence importante d'usage de l'ordinateur en général) et des variables d'insertion pourraient s'expliquer par le fait que certains postes dans l'entreprise (qui correspondent à des positionnement professionnels intéressants) nécessitent l'emploi et l'usage des TIC de manière fréquente. Ces postes et fonction dans l'entreprise sont alors rétribués de manière intéressante, et renvoient donc à une meilleure insertion socioprofessionnelle. D'un côté, nous pourrions affirmer que les usages domestiques des TIC favorisent le développement de certaines compétences (techniques, interactionnelles, informationnelles) mobilisables dans le domaine professionnel. D'un autre côté, nous pouvons émettre l'hypothèse que les usages professionnels des TIC peuvent créer une proximité (matérielle et représentationnelle) avec ces outils, et, par conséquent, conduire au développement de leurs usages domestiques. Cela expliquerait l'interdépendance, ou la porosité entre les contextes professionnel et domestique au niveau des activités médiatisées. Pourquoi ne pas parler alors de transfert de compétences d'un contexte à l'autre. A l'issue de l'analyse de nos résultats, nous sommes en outre en mesure de mettre en lien le capital social individuel (social et professionnel) avec la reconnaissance socioprofessionnelle. Les personnes se sentant reconnues pour leurs compétences et sollicitées pour elles, sont celles qui ont un usage fréquent de l'ordinateur, notamment pour faire de la bureautique, de la programmation et pour la fréquentation des réseaux sociaux. Il existe bien une relation entre la performance dans le travail et les interactions que les employés peuvent avoir avec leur entourage professionnel. Nous pouvons donc parler autant d'insertion socioprofessionnelle, que de reconnaissance socioprofessionnelle (même si le lien entre performance au travail et reconnaissance professionnelle peut être discuté (Dejours, 2005)). Nous pouvons interpréter les résultats de notre étude de la manière suivante : l'usage des TIC permettrait une meilleure expression des compétences. Notamment lorsque l'activité et le dynamisme sont sous-tendues par une dimension interactionnelle et communicationnelle induite par l'usage des TIC [START_REF] Chaker | Les effets de l'usage des TIC sur les compétences et l'insertion socioprofessionnelle[END_REF].

L'interprétation d'une valeur ajoutée dans l'évaluation des compétences

Nous nous sommes interrogés sur les critères dominants mis en oeuvre dans des dispositifs de gestion de compétences en organisations autour de la problématique suivante : en quoi l'estimation d'une valeur individuelle s'intègre dans des logiques d'action spécifiques participant à une confusion entre une chose mesurée (le capital humain exprimé par des compétences) et ce qui conduit à la mesurer (la justification de la démarche) ? Nous avons mis en perspective deux enquêtes de terrain au sein de deux organisations d'Ile de France [START_REF] Garaffa | Le capital humain : entre marchantisation et réalisation de soi, Perspectives et discussions autour de deux dispositifs en organisation[END_REF]. La première enquête s'attache à rendre compte de la mise en place d'une Gestion Prévisionnelle des Emplois et des Compétences lors d'une immersion professionnelle durant 17 mois dans une entreprise de transport , en s'appuyant sur des entretiens semi-directifs effectués auprès de 143 salariés. La seconde enquête porte sur un dispositif de bénévolat de compétences (transfert de compétences professionnelles vers une structure associative par le biais de bénévoles effectuant des missions ciblées et précises autour de leurs propres compétences) au sein d'une association parisienne à travers le compte rendu d'entretiens libres effectués auprès d'acteurs salariés et bénévoles. Dans les deux cas, il résulte de l'enquête que les compétences ne sont pas véritablement mesurées ou évaluées mais plutôt utilisées et exprimées de façon différente tout en étant définies de la même manière. En effet, dans les deux organisations étudiées, les compétences sont présentées par les acteurs comme une valeur ajoutée et l'expression de cette valeur engageait, a minima, deux dimensions autour des compétences s'intégrant dans le prisme paradoxal du capital humain: entre marchandisation et réalisation de soi. Premièrement, dans l'entreprise, le dispositif de GPEC tend à aller vers une instrumentalisation où les compétences sont la valeur ajoutée existante que l'entreprise cherche à rendre visible. L'expression des compétences s'apparente alors à un relais pour communiquer et négocier autour de sa valeur ajoutée pour obtenir une reconnaissance (félicitations, augmentation salariale, primes...). Deuxièmement, dans l'association parisienne, le bénévolat de compétences s'inscrit dans un investissement: il s'agit d'exploiter des compétences existantes afin de révéler une valeur ajoutée pour créer une richesse humaine et sociale. Ainsi, l'expression par les compétences donne à voir une normalisation référentielle générale, autrement dit un optimum à atteindre plutôt qu'une évaluation individuelle. Il s'agit d'estimer une valeur pouvant s'exprimer à travers deux facettes dominantes du capital humain ayant de fortes répercussions dans la construction de l'individu social. Tout d'abord, instrumentaliser l'existant : il s'agit d'être en mesure de marchander ses compétences sur le marché de l'emploi en vue d'une meilleure reconnaissance socioprofessionnelle. Ensuite, réaliser sa valeur en tant que capital humain pour mieux l'investir dans une logique de projet à long terme; logique permettant, également, une insertion socioprofessionnelle plus épanouie et adaptée au contexte de réalisation, c'est à dire une société inscrite dans l'ère du numérique et de l'immatériel.

Exprimer des compétences dans une économie immatérielle : la nécessité de capitaliser sur l'humain

Pour conclure, nous pouvons affirmer que les résultats des deux enquêtes se rejoignent autour de l'idée que l'expression des compétences est effectivement une condition nécessaire pour une reconnaissance socioprofessionnelle. En effet, l'individu inséré peut bénéficier de la reconnaissance puis de la valorisation de ses compétences lorsqu'elles sont mises en évidence à travers des usages numériques. Ces derniers, lorsqu'il sont importants, sont donc associés avec une insertion professionnelle visible (capital social et reconnaissance professionnelle : interaction et collaboration avec collègues et supérieurs, attribution de meilleurs salaires, de postes importants, de projets clés, etc....). Cette insertion passe par la reconnaissance de l'individu salarié par le monde du travail (notamment) en tant que capital humain. Cependant, il ne s'agit pas d'une analyse utilitariste au sens paradigmatique, tel que pourraient le faire les sociologues de ce courant, mais plutôt d'un constat sur la société contemporaine, en pleine nouvelle ère du capitalisme. Il est cependant naturel que dans une société dont le modèle économique, loin d'une idéologie maussienne du don, est basé sur la rentabilité et l'investissement, que la logique marchande gagne même l'individu, considéré lui aussi dorénavant comme un capital. Etre capable de marchander ses compétences et ses connaissances, ses savoir-faire et ses savoirs sur le marché du travail, est aujourd'hui une condition nécessaire pour la survie de l'homme moderne dans l'économie immatérielle. Enfin, en présentant une approche actualisée du capital humain qui interrogerait les logiques d'action individuelle induites dans nos sociétés concernant la marchandisation de soi à travers ses compétences, nous avons soulevé, sans pour autant l'avoir développé dans le présent article, les théories socio-économiques qui interrogent la tendance dominante des logiques économiques à prendre le pas sur les déterminants sociaux et culturels dans la socialisation des individus [START_REF] Garaffa | Le capital humain : entre marchantisation et réalisation de soi, Perspectives et discussions autour de deux dispositifs en organisation[END_REF].

Bibliographie

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  Human Capital. A Theoretical and Empirical Analysis with Special Reference to Education, Chicago, University of Chicago Press, 3e éd. 390 p. Boltanski L. & Chiapello E., (1999), Le nouvel esprit du capitalisme, Paris : Gallimart. Boltanski L. & Thévenot L. (1991), De la justification, Les économies de la grandeur, Paris : Gallimart.


Robin Cijvat

Stefan Manegold

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Tobias Marschall

Ying Zhang

Genome sequence analysis with MonetDB: a case study on Ebola virus diversity

Next-generation sequencing (NGS) technology has led the life sciences into the big data era. Today, sequencing genomes takes little time and cost, but results in terabytes of data to be stored and analysed. Biologists are often exposed to excessively time consuming and error-prone data management and analysis hurdles. In this paper, we propose a database management system (DBMS) based approach to accelerate and substantially simplify genome sequence analysis. We have extended MonetDB, an open-source column-based DBMS, with a BAM module, which enables easy, flexible, and rapid management and analysis of sequence alignment data stored as Sequence Alignment/Map (SAM/BAM) files. We describe the main features of MonetDB/BAM using a case study on Ebola virus genomes.

Introduction

Next-generation sequencing (NGS) technology has confronted the life sciences with a 'DNA data deluge' [START_REF] Schatz | The DNA data deluge[END_REF]. Thanks to its massively parallel approach, NGS allows for generating vast volumes of sequencing data, which, in comparison to conventional 'firstgeneration' sequencing methods, happens at drastically reduced costs and processing times. Consequently, biologists now need to invest in the design of data storage, management, and analysis solutions. Ever more often, improvements in this area are no longer an option, but a pressing issue.

As per common NGS-based "re-sequencing" workflows, short DNA fragments are sequenced and subsequently aligned to a reference genome, which aims at determining the differences between the sequenced genome and the reference genome. Thereby, the resulting alignment data files, most often stored in Sequence Alignment/Map (SAM) format or its binary counterpart BAM [L + 09], quickly reach the terabyte mark. Complementary software libraries, e.g., SAMtools [L + 09], provide basic functionality, such as predicatesbased data extraction. For more complex data exploration, scientists usually resort to writing customised software programs.

However, the traditional file based approach has several drawbacks. First, it does not make use of technology that specifically addresses large data file handling. Even with compression, a BAM file containing the alignment data of a single human genome amounts to hundreds of gigabytes, which, when processing collections of genomes, quickly reaches the terabyte scale [F + 14]. Existing file-based tools usually only work properly with data that fits in main memory. Thus, researchers are often left with the non-trivial tasks of partitioning data into optimally fitting pieces and constructing final results from partial results. Moreover, having to repeatedly reload such large files is undesirable. Second, software development and maintenance are extremely time-consuming and error-prone tasks. They require highly specific knowledge of programming languages and applications. Finally, performance is paramount for big data analysis. Therefore, scientists have been increasingly enforced to become "hard-core" programmers, to exploit the full computational power of modern hardware, such as multicore CPUs, GPUs, and FPGAs.

Although Hadoop systems have recently gained much interest in big data processing, they are no ideal candidates for data analysis in life sciences. Hadoop systems are primarily designed for document-based data processing [START_REF] Dean | MapReduce: Simplified Data Processing on Large Clusters[END_REF]. They can be extremely fast in executing simple queries on large number of documents, e.g., distributed grep. But Hadoop systems quickly suffer from serious performance degradation, when they are used to process more complex analytical queries that often involve aggregations and joins [P + 09].

The problems mentioned above have been extensively tackled by database management systems (DBMS), which are designed and built to store, manage, and analyse large-scale data. By using a DBMS for genome data analysis, one can significantly reduce the datato-knowledge time. A major advantage of using a declarative language such as SQL is that the users only need to state what they want to analyse, but not how exactly to analyse. The DBMS should take care of efficient execution of the queries, e.g. choose the best algorithms, optimise memory usage, automate parallel execution where possible, and make use of the aforementioned modern hardware, while hiding the heterogeneity of underlying hardware and software systems. In this way, scientists can reap the fruits of 50+ years work of the database community on optimising query processing, so as to spend more time on their primary research topics. However, so far DBMSs have not been widely adopted in the life sciences beyond metadata management. This is mainly due to the mismatch between what existing DBMSs support and what data analysis in life sciences needs. There is a general lack of DBMS functionality and operations to directly query genomic data already stored in files. The current common practice is to first convert the data into CSV files, then load them into a DBMS. This conversion step not only incurs a high data-to-query time, but also substantially increases storage requirements, especially if the original data are compressed. Moreover, it is extremely difficult to keep duplicate data consistent, when there are updates. Finally, although genomic data are encoded in strings, a standard DBMS data type, they have particular semantics. Without dedicated functions, it is not trivial to express even the basic operations on genomic data using SQL, e.g., compute the length of an alignment. MonetDB/BAM. Our first step towards a solution for big data analysis in life sciences is to tackle the aforementioned functional mismatches. Therefore, we have extended the open-source column-based DBMS MonetDB1 with a BAM module2 , which allows in-database processing of SAM/BAM files. The software is available as of the Oct2014 release of MonetDB. MonetDB is primarily designed for data warehouse applications, such as data mining and Business Intelligence [M + 09]. These applications are identified by their use of large data sets, which are mostly queried to provide business intelligence or decision support. Similar applications also appear frequently in the big data area of e-science, where observations are collected into a warehouse for subsequent scientific analysis. This makes MonetDB a good candidate to provide a data management solution for such applications.

The main features of MonetDB/BAM include: a) SQL loading functions to load a single, a list or a repository of SAM or BAM files; b) SQL export functions allow writing query results to SAM formatted files; c) SQL functions for elementary operations on sequence alignment data, e.g., computing reverse complements of DNA strings and the actual lengths of mapped sequences; and d) automatically construct primary or secondary read pairs, which accelerates analyses on paired alignments. In this paper, we demonstrate how MonetDB/BAM can be used to facilitate genome sequence alignment data analysis, by conducting a case study on a current and highly important topic: studying the diversity of the Ebola virus. Related work. There are several prototypes that also use DBMSs for genome data analysis. For instance, Röhm et al. [START_REF] Röhm | Data management for high-throughput genomics[END_REF] propose a hybrid data management approach, which relies on file streaming features of SQL Server 2008 to process gene sequence data stored as binary large objects (BLOBs). When faced with large data file, loading data on-the-fly will suffer from the same performance problems as the file-based approaches. Moreover, this work does not consider additional DBMS functionality to facilitate genomic data analysis. Schapranow et al. [START_REF] Schapranow | HIG -An in-memory database platform enabling realtime analyses of genome data[END_REF] describe an in-memory DBMS platform, HIG, in which existing applications are incorporated for genome analysis. But HIG does not integrate the analysis functionality into the DBMS. The work Dorok et al. [D + 14] is most closely related to our work, in the sense that it proposes both a DBMS schema to store genome alignment data and an integrated user-defined function genotype (in MonetDB) to enable variant calling using simple SQL. However, this work mainly focuses at supporting variant calling. With MonetDB/BAM, we try to target at genome data analysis in general.

Ebola virus diversity: a case study

Viruses populate their hosts as swarms of related, but genetically different mutant strains, each defined by its own, characteristic genomic sequence. Analysing such "mutant clouds", often called viral quasispecies, is of clinical importance, as it explains virulence, pathogenesis, and resistance to treatment. Exploring the composition of sequences and their relative frequencies, the genetic diversity of a quasispecies, based on NGS is a current, central issue in virology [B + 12, T + 14].

We demonstrate how to make easy use of MonetDB/BAM for some helpful steps towards an easy exploration of the genetic diversity of Ebola infections. Although it has recently Together they contain 6,786,308 reads and take 390 MB on hard disk. Then, we used the Burrows-Wheeler Aligner [START_REF] Li | Fast and accurate short read alignment with Burrows-Wheeler Transform[END_REF] to align the reads with the Zaire reference string (NC 002549.1) [V + 99], resulting in an average mapping rate of 15.6%. The results are stored in 32 BAM files containing an alignment for every read, with a total size of 500 MB.

All BAM files are loaded into a MonetDB database with the SQL query Q1 in Figure 1. The first argument is the path to the repository of BAM files. The second argument chooses the storage schema: 0 for sequential, 1 for pairwise 2 .In this paper we only use the sequential schema (Figure 2), a straightforward mapping of alignment records in BAM files.

All alignments of one BAM file are stored in two SQL tables bam.alignments i and bam.alignment extra i, where i is the internal ID of the BAM file. Each tuple in bam.alignments i contains all main fields of one alignment, e.g., qname, flag, rname, pos, cigar, seq and qual. The EXTRA field of the alignments are parsed and stored in bam.alignment extra i as <tag,type,value> tuples. The virtual offset is used to link the tuples in these tables. For all queries in this work, we have defined a view bam.alignment all, containing bam.alignment i tables of all loaded BAM files. Use case 1: computing positional data. Query Q2 in Figure 1 shows how to compute the count of all characters that occur on all positions in MonetDB/BAM. The MonetDBspecific function generate series generates a one-column table with a row for every integer number in the range. We use this in Line 4 to create a table with an entry for every position in the reference genome (NC 002549.1), with a length of 18960 [V + 99]. Line 5 selects the alignment position, the sequence, and the CIGAR string for all mapped reads. We join the series table with the mapped reads (lines 4-6). A result tuple is produced if the sequence of the read overlaps with a position in the series table (line 6). The join results are grouped and ordered on the reference positions of the reads and the characters that are found on these positions (line 7). Values of these characters are extracted in the SELECT clause (line 2). Finally, from the grouped result, we select the reference positions, the characters on these positions, and their occurrence counters (lines 1-3). Applying Q2 on the Ebola alignment data produces results as shown in Table 1, which reveals that, e.g., on position 46, there is one aligned read with an A and one with a C. Use case 2: computing coverage and diversity. Assume that the results of Q2 are stored in a table positional, query Q3 in Figure 1 shows how to create a top-k of positions that have the highest coverage, i.e., the highest number of aligned reads that overlap with these positions. The results of Q3 in Table 2 show that the reference position 6239 has the highest number of overlapping aligned reads, i.e., 9340.

Assuming the result of Q3 is stored in a view coverage, a next step is to calculate a top-k of regions with the highest average coverage, as Q4 in Figure 1. The results of Q4 are in Table 3, which shows that the region 1000-2000 has the highest average coverage. Diversity is another interesting analysis we can do with the results of Q2 and Q3, i.e., compute the percentage of alignments that differ from the reference genome on each position. The query Q5 in Figure 1 produces a list of positions with their coverage and diversity, with decreasing diversity percentages.

In Q5, we have loaded the reference genome string (NC 002549.1) [V + 99] in the SQL variable ref.

The function SUBSTRING returns a single character at the given refpos.

Q5 first computes similar intermediate data as in Q3 (lines 4-6), except filtering out the positions with matching characters with the reference genome (line 5). Then, we join the coverage table with the just computed diversity information on the reference position (lines 3-7). This gives us for every position: i) the total number of overlapping read alignments, and ii) the number of overlapping read alignments that differ from the reference genome. Finally, we select the reference position, the count of both the coverage and the diversity subresults, and calculate the diversity percentage for all reference positions as the number of differing read alignments divided by the total number of read alignments for these positions (lines 1,2). The results of Q5 are in Table 4, which e.g. shows that all aligned reads at reference positions 721 and 7029 differ from the reference genome. Query performance. We run all five queries on a moderate laptop (i7 Quad Core CPU, 4GB RAM, SSD disk). Figure 3 shows the query execution times on different data sizes. The xaxis denotes both the number of files and the file size for each data set. All results are averages of 10 runs.The execution times show a linear behaviour with growing data size. Loading (Q1) and computing positional data (Q2) are the most time consuming tasks. Q1 spends most time on decompressing the BAM files and passing values. The execution times of Q2 include the time to store its results in the positional table, which serves as a preprocessing step for the remaining queries. Once data are loaded and preprocessed, the further analysis queries (Q3 -Q5) are done in milliseconds, and the execution times are hardly affected by growing number of files and data sizes.

Conclusion and Outlook.

In this paper, we showed how to use MonetDB/BAM to facilitate exploration of the genetic diversity of the Ebola virus. Our study indicates that many conceivable analyses on genome sequence alignment data can be easily expressed as SQL queries, provided the DBMS offers the proper functionality. However, before we come up with a comprehensive solution for big data analysis in life sciences, plenty open issues call for consideration. For instance, the performance and scalability of MonetDB-/BAM must be extensively evaluated and improved. We should stress the system with both BAM files of larger genomes, such as human or plant genomes, and terabytes scale file repositories. Also, we should compare the performance of our approach with existing analysis tools, such as BEDTools [START_REF] Quinlan | BEDTools: a flexible suite of utilities for comparing genomic features[END_REF]. Moreover, the use cases study should be extended with more important analysis, such as variant calling [N + 11], so as to determine more functional requirements MonetDB/BAM should satisfy. Finally, workflow support is a must for scientific exploration. MonetDB already provides various client connections (e.g., JDBC, ODBC), a REST interface, and seamless integration with the R project for statistical computing 1 . Therefore, MonetDB can be easily integrated into existing workflow systems, such as Taverna [W + 13].

Figure 1 :

 1 Figure 1: Use case queries

Figure

  Figure 2: Sequential storage schema

Figure 3 :

 3 Figure 3: Execution times of all queries

Table 2 :

 2 Result Q3

	grp start grp end	average
	1000	2000 7053.6699999999992
	3000	4000 6694.4919999999984
	6000	7000 6681.6100000000024
	4000	5000 6150.8489999999983
	...	...	...

Table 3 :

 3 Result Q4

Table 4 :

 4 Result Q5

https://www.monetdb.org/

https://www.monetdb.org/bam/


K Scharnowski

S Frey

B Raffin

T Ertl

Spline-based Decomposition of Streamed Particle Trajectories for Efficient Transfer and Analysis

Keywords: Descriptors (according to ACM CCS): I, 3, 3 [Computer Graphics]: Picture/Image Generation-Line and curve generation

We introduce an approach for distributed processing and efficient storage of noisy particle trajectories, and present visual analysis techniques that directly operate on the generated representation. For efficient storage, we decompose individual trajectories into a smooth representation and a high frequency part. Our smooth representation is generated by fitting Hermite Splines to a series of time windows, adhering to a certain error bound. This directly supports scenarios involving in situ and streaming data processing. We show how the individually fitted splines can afterwards be combined into one spline posessing the same mathematical properties, i.e. C 1 continuity as well as our error bound. The fitted splines are typically significantly smaller than the original data, and can therefore be used, e.g., for an online monitoring and analysis of distributed particle simulations. The high frequency part can be used to reconstruct the original data, or could also be discarded in scenarios with limited storage capabilities. Finally, we demonstrate the utility of our smooth representation for different analysis queries using real world data.

Introduction and Motivation

Modern computer simulations, e.g. from Molecular Dynamics Simulation, crucially support the study of different phenomena of interest. However, the increasing availability of computational resources and the resulting amount of data makes related analysis tasks more and more challenging. It can be infeasible to store (or include in the analysis) all generated data due to constrained available storage capacity or memory bandwidth. The most widely employed approach in practice is to sample the simulation results sparsely, potentially leading to an inaccurate analysis. To address this, more sophisticated, parallelizable, methods are needed to reduce the size of the stored data. Those approaches normally either reduce entropy of the data for better compression or extract features of interest [TRB ⇤ 08].

While numerous methods have been presented to efficiently store general data (c.f. [LI, FM, CCMW]), there are not many approaches specifically targeting particle trajectories while at the same time providing direct support for certain analysis tasks. Both for analysis and efficient storage it is beneficial to decompose the trajectories into a low frequency and a high frequency part. On the one hand, looking at the smooth low frequencies helps with similarity measurements used in clustering algorithms. On the other hand, separating high frequencies is beneficial for reducing data entropy, since they can be quantized in frequency space (similar to video and image compression codecs, such as JPEG. However, using a spectral analysis to separate the low and high frequencies has some disadvantages specifically for the analysis part. Ideally, one wants to control the smoothness of the low frequency part using a error bound, particularly, since it depends highly on the application scenario and the analysis task at hand. For example, Brownian Motion in some cases might be considered as noise, in others as important part of the analysis. This kind of control cannot be provided when using pure spectral analysis. Due to the nature of Discrete Fourier Analysis, aliasing is likely to appear at the borders of the low frequency part between the streamed time windows, if they are to be treated independently. Consequently, the consecutive time windows need to be merged afterwards while still providing the same error bound. In order to extract the low frequency part from the individual trajectories, curve fitting models can be used [DC, LSE ⇤ ].

In this paper, we present an approach for the decomposition of trajectory data with splines, including user-controlled smoothness, and frequency based representations. For representing the low frequency part, we use C 1 -continuous Hermite Splines. Our approach can be applied to individual time windows indipendently, allowing for parallelization of the computations, while at the same time allowing for a later combination of the splines associated with the time windows to one C 1 -continuous spline. Crucially, we obtain analytical definitions of the first derivative, which facilitates certain analysis tasks, such as clustering algorithms. Depending on the desired outcome, the original data can be fully reconstructed by Algorithm 1 Distributed spline-based trajectory decomposition approach running independently on each node.

1: . this runs on each node (i.e., for each space partition) 2: procedure DISTRIBUTEDTRAJECTORYGENERATION 3:

for all time windows T do 4:

Y T fit spline (x T i , s) end for 12: end procedure compressing and storing the high frequency part and later adding it to the low frequency part. In particular, we contribute the following:

• An approach designed to support streaming and in situ processing (Sec. 2.1) • A smooth and compact representation of particle trajectories by fitting of Hermite Splines with user-controlled error (Sec. 2.2) • The generation of one consistent spline (adhering to the same error criterion) a posteriori across different time windows (Sec. 2.3) • The spline is useful for certain analysis tasks due to its generally high quality and favorable properties (Sec. 3)

Methodology

Our algorithm was designed to support processing of streamed time windows while at the same time efficiently supporting inherently global (visual) analysis operations.

Approach Structure For In Situ Processing

Our approach is conceptually structured into two phases: (a) an in situ/streaming part decomposes trajectory time windows into our spline-based representation, and (b) a post-hoc part that assembles individual time windows into one consistent representation.

(a) In situ Trajectory Decomposition (Alg. 1). We encode subsets of the particles and for those subsets again separate time windows completely independently of each other. Time windows might originate in a streaming setup, in which one decides to start the encoding process once a certain number of positions has been received for a trajectory. For each time window, we fit a spline through the respective positions using a user-defined mean error bound s. For numerous scenarios, this spline suffices already, but in case a full reconstruction of the original data is required, we create a frequency representation of the difference between the spline and the original points. In theory, this process allows to work fully independently and in parallel on each particle trajectory for each time window.

(b) Trajectory Reconstruction and Analysis (Alg. 2). Our spline-based representation generated in (a) can then be used for the visual analysis of the data. Generally, a user has two basic options (which may also be combined). First, if high frequencies have been stored, the original point data can be reconstructed in combination Algorithm 2 Trajectory reconstruction and analysis. This runs on for the data collected from each node (generated via Alg. 1).

1: . this runs on collected data from each node (cf. Alg. 1) do analysis 12: end procedure with the time window splines. Second, for each particle p i , a combined spline can be generated from the various time window splines. This spline representing the whole trajectory is both smooth and C 1 continuous, which is not only favorable for its direct visualization, but it is also directly usable for a variety of different analysis tasks.

Treatment of individual Time-windows

Given a particle p i , we call its time-dependent position x T i its trajectory, with T being the time window, in which the trajectory is defined. Throughout this document we will refer to a set of particles as P and to the respective set of trajectories as X T . In order to decompose a trajectory x T i into a low frequency part and a high frequency part with direct error control, we fit a hermite spline to the series of points, representing the trajectory of one particle. Our goal is to obtain a spline for each time window, so that we can merge them in a post-processing step ((Fig. 1a).

The fitting is done by minimizing the error between the current spline and the respective trajectory. We compute this error by uniformly sampling the spline at n locations, n being the number of time steps in the treated time window. We then compute the Root Mean Square Deviation (RMSD) between the two point series:

RMSD = s 1 n n  i=1 d 2 i , (1)
where d is the distance between two associated points.

For error control, a mean error bound s is provided by the user, who can choose it depending on the application scenario and analysis task. We start by a Hermite Spline that consists of a single linear segment, that we initialize with the first and last points of the trajectory. Subsequently, we fit this spline to the trajectory by minimizing our cost function. The variables in this fitting process are the position and slope at each control point of the current spline. If, after the fitting, the cost function is below s, we stop here. Otherwise, we subdivide the spline into more segments and fit again. Subdivision without changing the shape of the current Hermite Spline can be achieved by cutting all segments in half and scaling the slope of all control vertices with 0.5. Doing so allows us to maintain the uniform, implicit parameterization of the spline, which we would have to store separately otherwise. This process, consisting of subsequent subdivision and fitting is repeated until the error criterion is met.

The resulting spline delivers an analytical representation of the low frequencies of the trajectory. The high frequencies are subsequently calculated by subtraction from the associated spline locations.

Merging Consecutive Time Windows

When using our approach for treating individual time windows as described in Section 2.2, we can afterwards merge the individual splines to one combined spline possessing the same favorable properties, namely, C 1 continuity and a guaranteed mean error below s. We achieve this by connecting the splines of consecutive time windows with transition splines (Fig. 1b &c). We could just connect the endpoints of the respective time window splines with one segment, defined by the endpoints slope and position. While this would give us the desired C 1 -contiuity, it could potentially lead to a spline that largely overfits the original data. We, therefore, need to preserve a small part of the original trajectory positions when encoding, so we can use them later for the transition spline fitting. To this end, we explicitly store m positions at the beginning and the end of each time window. Since we have time windows with hundreds of time steps, this is only a small portion. Particularly, in our experiments setting m = 5 was sufficient. The portions of the time window splines associated with these transition points are cut off and discarded for the full spline reconstruction. The transition spline is then initialized with the new end position and slope of the time windows and subsequently fitted to the transition points using subdivision. The dfference to the previous fitting process is here, that the position and slope of the endpoints are kept fixed.

Results

We developed two separate tools for both the encoding and the postprocessing stage. The prototypes were developed in Python and all pictures in this Section were created using ParaView [START_REF] Ayachit | The ParaView Guide: A Parallel Visualization Application[END_REF]. We tested our approach using two data sets from different application domains. All computations were done on a desktop mache with an Intel Core i7-4770 (3.4GHz) and 16 GB RAM. The encoding of the data into our format took roughly 15 minutes for the first data set and 3 minutes for the second data set.

The first data set is the result of a simulation of a protein (Lysozyme) in water solvent. The simulation was executed based on the publicly available tutorial using Gromacs [Lem22] and was sampled every 1ps leading to 200 frames in total. The reconstructred splines can be found in Fig. 2. Please note, that we basically removed the periodic boundary conditions of the data in order to facilitate the fitting. We see a notable difference between the protein atoms and the atoms belonging to solvent molecules. As expected, the solvent molecules move in a much faster and more chaotic way. The trajectory traces of individual water molecules appear as bundles of three traces each. This illustrates that our method is capable of creat similarspline representations for similar input data.

The second data set is a measured Fiber experiment created via Digital Image Correlation (DIC) where properties of elastic material are investigated. Measurement locations are positioned on the material patch and tracked while the material is stretched, leading to a series of positions for each locations. In this case, the points are defined in 2D and the trajectory is 254 frames long. This data possesses some fundamentally different properties in comparison to the simulation data. Specifically, we wanted to investigate the potential of our spline representation for analysis tasks related to clustering of particle trajectories. Clustering requires a suitable similarity function to cluster the traces. To this end, we used an analysis step that is inspired by the bag-of-features approach used in computer visison [LWS13]. First, we sample the gradient magnitude of each trajectory path and compute the histogram. We then use the Earth Mover's Distance as a similarity measurement. The resulting clusters can be seen in Figure 3. The spatial distribution of the clusters depicts that the there is similarities in neighbouring traces, indicating that they have a similar distribution of speed.

Discussion & Conclusion

We described an approach for decomposing particle trajectories using Hermite Splines. Our method can easily be applied to partitioned data in a streaming fashion, making it suitable for in situ and out-of-core application scenarios. We furthermore showed, how the resulting data representation can be used to facilitate analysis and potentially gain new insights.

The most important parameter for our approach is the spline mean error s, which is used to fit a spline to each time windows and is also considered during merging. This parameter allows domain domains scientists to define the smoothness that their data should have for later analysis. However, the parameter also heavily influences the computation time for our algorithm. Naturally, a higher mean error leads to faster convergence and, therefore, less computational effort. This is due to the fact, that the spline than needs less segments to meat the requirements. This computation time can also be lowered by choosing a smaller time window size. However, a too small time window size leads to less efficient storage since the spline representation is then prone to creating a storage overhead. This paper presents ongoing research. For future work, since the high frequencies are likely to have rather small entropy, we aim to compress them using respective encoding and quantization. Additionally, we want to investigate how beneficial the properties of our decomposition are in this respect, hopefully leading to good compression schemes. Furthermore, we want to test our approach in a distributed environment. To this end, we can easily extend our time window definition to 4D space time blocks. This would allow us to use our approach in an insitu context and, furthermore, investigate the scalability of the algorithm to big data.

Figure 1 :

 1 Figure 1: Different stages of a single particle trajectory crossing four consecutive time windows. (a) illustrates the division of the trajectory into four time windows and depicts the splines that are fitted for each time window. (b) shows the stored transition points that are then used to fit transition splines in between the time window specific splines. (c) shows the full C 1 -continuous spline fitting to the complete trajectory while maintaining the error bound as well as wanted mathematical properties.

Figure 2 :

 2 Figure 2: Reconstructed splines for protein in water data. The left part depicts the different behaviour of the protein atoms (opaque) and the solvent molecules (transparent). The solvent molecules show strong movement while the protein stays relatively rigid. The cutout (right) shows that the bundled traces of the three atoms belonging to one water molecule.

Figure 3 :

 3 Figure 3: Analysis of experimental data using clustering.

© 2017 The Author(s) Eurographics Proceedings © 2017 The Eurographics Association.

Acknowledgements

We want to thank Ilyass Tabiai and Patrick Diehl from the Laboratory for Multiscale Mechanics of the Polytechnique Montréal for providing the Fiber experiment data and background information. We further thank the German Research Foundation (DFG) for supporting the project within the Cluster of Excellence in Simulation Technology (EXC 310/1) at the University of Stuttgart.