准备好下一场风暴灾害响应中基于 AI 的态势感知Jen Dailey Lambert |米歇尔·罗斯 |杰里米拉特克利夫 |梅根·奥康纳 Tara Kedia |索菲亚油 |杰夫弗里曼 |凯特琳·洛维特国家安全报告 为下一场风暴做好准备灾害响应中基于 AI 的态势感知Jen Dailey Lambert* Michelle Rose* Jeremy Ratcliff Megan O'Connor Tara Kedia索菲亚·欧吕克 杰夫·弗里曼 凯特琳·洛维特* 这些作者同等贡献这项工作。 版权所有 © 2021 约翰霍普金斯大学应用物理实验室有限责任公司。版权所有。NSAD-R-21-025 3为下一场风暴做好准备内容一种定义 21乙红队分析结果 23C经验教训总结结果 25 5为下一场风暴做好准备图图 1. 按记录映射的技术和差距类别类型........................................................................................6图 2. 近、中、远未来 SA 的 AI 技术路线图技术.......................................................................................9表表 1. 最常见的三类差距已鉴定..........................................................................................................7表 2. 主要感兴趣的技术发展...........................................................................................................10表 C-1。从 DOTmLPF 框架中吸取的经验教训AARs............................................................................25 7为下一场风暴做好准备概括灾害响应期间的态势感知至关重要，因为它使响应社区能够在灾害的时间敏感、紧急阶段快速有效地帮助那些急需帮助的人。新技术可以极大地提高响应行动的效率：卫星图像可以快速绘制飓风的破坏路径，社交媒体跟踪可以识别需求增加的社区，以及计算机建模可以预测野火的路线以通知疏散。美国政府优先考虑在整个联邦机构中实施人工智能 (AI) 系统，包括那些可能有助于灾难响应的技术。在本报告中，我们提供了一份技术路线图，用于向响应社区提供近未来和更远未来的人工智能技术，这些技术可以帮助在灾难期间提高态势感知能力。通过探索当前和历史技术趋势、成功和困难，我们设想了此类新技术可能为灾难响应带来的好处和弱点。鉴于与灾害和人工智能技术相关的复杂性，需要一种综合的发展方法，以确保新技术既是科学驱动的，又是操作上可行的。 1为下一场风暴做好准备灾害响应中的态势感知2016 年 11 月 23 日上午，大烟山国家公园 (GSMNP) 的工作人员在田纳西州加特林堡以南约 5.5 英里的烟囱顶地区发现了一场小型野火，这座城市拥有近四千人口。1GSMNP 的工作人员认为火势不严重，因此建造了一个 410 英亩的收容区来控制蔓延，并选择不将情况通知加特林堡消防局。在接下来的几天里，由于有利于野火蔓延的天气条件，情况迅速恶化，到 28 日中午，加特林堡消防局、GSMNP 和塞维尔县野火特遣队已经在地面上进行了战斗。火灾并向 Mynatt Park 社区发出疏散通知。大风和干燥的条件使这项任务成为一场失败的战斗，到晚上 8 点，火势已经增加了十倍多，至少已经吞没了七千英亩。到晚上 8 点 30 分，田纳西州紧急事务管理局 (TEMA) 做出撤离加特林堡的决定。TEMA 打算使用已建立的公共警告系统向加特林堡的所有移动设备发送文本消息。在 TEMA 公共信息官在电话交谈中收到消息的措辞后，他们试图在分发之前验证消息，这也是 TEMA 的政策。在电话交谈和消息验证之间的时间里，由于野火，电源和手机连接部分中断，消息从未得到验证或分发。十五分钟后，国家气象局使用更有限的紧急警报系统发布了自己的公告。1本节在很大程度上依赖于 Guthrie 等人在行动后审查中提供的信息和分析，该书由 ABSG 咨询公司代表田纳西州加特林堡市和田纳西州塞维尔县出版。该报告主要关注 Chimney Tops 2 火灾。在缺乏广泛的电子信息的情况下，警察、消防和公共交通人员开始挨家挨户送达疏散通知，但这是一个劳动密集型且效率低下的过程。晚上 9 点 47 分，国家气象局通过广播和电视再次发布公告，但消息来得太晚。到晚上 10 点，即疏散通知发出仅一个半小时后，加特林堡的 3 名市民和塞维尔县的 11 人已在大火中丧生。两千五百座建筑物受损，一万七千英亩土地被烧毁。导致这些可避免的死亡的失败——对火势蔓延的不准确预测、内部通信和连接系统的暂时故障以及与公众联系的低效手段——都限制了响应机构的态势感知 (SA) 和广大公众。SA，正如 Mica Endsley 在她 1988 年的开创性著作“态势感知全球评估技术 (SAGAT)”中所定义的那样，是“在时间和空间的体积内对环境元素的感知、对其意义的理解和在不久的将来预测他们的地位。”2 在复杂的应急响应场景中做出正确的决策需要对威胁、现有和潜在损害以及可用资源进行彻底的 SA。因数据不正确或不充分而导致的响应决策错误，可能导致可预防的发病率和死亡率。为简化我们的术语，术语“灾难”的工作用途将包括联邦紧急事务管理局 (FEMA) 定义的两种灾难——“自然灾害、技术事故或人为事件的发生”导致严重的财产损失、死亡和/或多人受伤”3——以及《罗伯特·T·斯塔福德救灾和紧急援助法案》（《斯塔福德法案》）所定义的紧急情况——“任何场合或2Endsley，“态势感知”。3FEMA，SLG 101。 2约翰霍普金斯大学应用物理实验室例如，根据总统的决定，需要联邦援助来补充州和地方的努力和能力，以挽救生命、保护财产和公共健康与安全，或减轻或避免灾难的威胁。 。”4该定义使我们能够将 FEMA、国防部、卫生与公共服务部以及其他对灾难响应至关重要的联邦和州机构的角色和职责置于背景中，特别是对由官方宣布的灾难的响应。总统根据斯塔福德法案。5 可以在附录 C 中找到为我们的讨论提供信息的这些灾难的完整列表。政府在灾害应对中的角色和责任灾害按灾害生命周期的不同阶段进行划分：预防、保护、缓解、响应和恢复。预防、保护和缓解发生在灾难发生之前，而恢复则侧重于灾难发生后的长期恢复正常。响应阶段是这项工作的重点，从灾难发生的那一刻开始。根据国家响应框架 (NRF)，6响应活动包括拯救和保护生命、财产或环境的任何和所有行动。由于 NRF 与事件的规模无关（并强调大多数事件严格4斯塔福德法案，酒吧。 L. 93-288。 《斯塔福德法案》规定了联邦政府与州和地方之间的关系。由当地政府和实体管理），“响应活动”可以包括从邻居向社区其他成员运送燃料到灾难性洪水后的大规模、多机构和多州搜救行动。一般来说，随着灾害规模的扩大，响应规模也同步上升。此外，随着越来越多的响应者和组织参与进来，响应的复杂性也增加了，收集完整和相互 SA 的需求和挑战也随之增加。有效的响应需要协调与合作，以避免重复工作或相互矛盾的活动，并确保信息和协议的共享。应对活动应侧重于类似的优先事项，利用相关实体的互补、协调活动来实现最大可能的努力回报。这被称为“团结一致”，在灾难的急性阶段尤为重要，因为响应效率的微小差异可以极大地改变生命损失或财产损失的程度。 NRF 以及国土安全部的国家事件管理系统 (NIMS)7和事件指挥系统（ICS），8 通过使用建立共同指挥结构并将角色和职责分配给不同组织的行政控制来提高响应效率。 FEMA 社区生命线9通过列举在紧急情况下应优先恢复的服务来协助响应机构政府在灾害援助方面。对于一个完整的定义 见附录 A。5虽然该团队在本报告的研究期间确定了超过 14 个“灾难”的定义，但由于这项工作的范围，我们选择使用一个不会将 2008 年金融危机归类为“灾难”的定义，因为 FEMA没有被激活。6国土安全部，国家响应框架。在 9/11 袭击事件和公认需要协调交付联邦资源之后，2002 年《国土安全法》授权 NRF。有关完整定义，请参见附录 A。7NIMS 是由国土安全部于 2004 年根据国土安全总统指令开发的。有关完整定义，请参见附录 A。8ICS 是一个标准化的管理系统，它将设施、设备、人员、程序和通信结合在一个共同的组织结构内。有关完整定义，请参见附录 A。9FEMA 社区生命线是那些对关键功能的持续运行必不可少的服务。有关完整定义，请参见附录 A。 3为下一场风暴做好准备响应的阶段。这些考虑因素对于建立响应至关重要，但这些出版物并没有规定如何管理每个响应。所有灾害的方法列出了为大多数灾害做准备所需的基本原则，让每个灾害环境的细微差别取决于所涉及的人。必须通过对灾害状况和实地活动的积极了解来做出响应，为此，协调机构和响应伙伴需要实现 SA。需要全貌总的来说，美国近代历史上最具破坏性的四场灾难——卡特里娜飓风、哈维飓风和玛丽亚飓风以及摧毁加利福尼亚天堂的营火——共导致 5000 多名美国人死亡，估计造成 3500 亿美元的损失。不幸的是，在未来几十年中，此类灾难几乎不可能停止。最近的研究表明，无论是自然灾害还是非自然灾害，各种灾害的频率、严重性和复杂性都在增加。10 导致死亡和破坏增加的因素包括危急天气事件的发生率和强度不断上升、新发传染病的风险不断上升以及全球城市化趋势使风险集中。11虽然仅靠准确的 SA 并不能减轻任何这些灾难，但无论规模大小，它都是能够正确应对灾难的重要组成部分。什么被认为是完整的或必要的 SA 有很大的不同，这取决于具体的灾难、地点和所涉及的响应者。消防员需要有关火灾动态和天气条件的信息来对抗野火；反之，有10比起“科学家”。11Easterling 等人，“极端气候”； Jolly 等人，“气候引起的变化”； Jones 等人，“新兴传染病的全球趋势”； Mazdiyasni 和 AghaKouchak，“同时发生的干旱大幅增加”；和联合国经济和社会事务部，世界城市化前景。没有证据表明天气跟踪和气候模型可以帮助科学家了解或减轻 SARS-CoV-2 的传播。12有些需求是可以共享的——了解面对即将到来的飓风、洪水、海啸或野火时的疏散瓶颈和拥堵情况，可以使当局更快地将社区转移到安全的地方。因为联邦政府可能会被要求协助任何州或领地的社区，所以 FEMA 和其他参与灾难响应的联邦机构是谨慎的13获得可以帮助 SA 应对全国任何重大灾难的各种工具。实现人工智能在灾难响应中的地位第 13859 号行政命令指示联邦政府机构通过投资研发、培训和合作来加强对人工智能 (AI) 技术的使用。14该授权于 2019 年 2 月发布，通常被称为美国人工智能倡议。对于一些机构来说，这一举措意味着在人工智能领域继续工作，而联邦政府的其他领域发现他们的运营空间包含很少的现有人工智能技术。尽管该命令并未强制要求进行研究以确认哪些技术领域可能会从 AI 中获益最大，但联邦政府对其的推动12Jolly 和 Freeborn，“提高野地消防员的态势感知能力”，574；和 Lipsitch，“SARS-CoV-2 的季节性”。13尽管隶属于国土安全部的 FEMA 是应急管理的牵头机构，但其他经常被要求应对灾难的联邦机构包括退伍军人事务部、疾病控制和预防中心、准备和响应助理部长办公室、国家气象局、国家科学基金会和国防部。根据斯塔福德法案，其他机构可以根据需要和适当的情况提供补充援助。14总统行政办公室，保持美国的领导地位。 4约翰霍普金斯