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Multilayer graph networks for modeling and analyzing exercise scenarios in civil protection and disaster response

Dombois, Marcus (2020):
Multilayer graph networks for modeling and analyzing exercise scenarios in civil protection and disaster response.
In: Berichte des Instituts für Numerische Methoden und Informatik im Bauwesen, 2020,3, 1. Auflage,
Düren, Shaker Verlag, ISBN 978-3-8440-7556-4,
DOI: 10.25534/tuprints-00013149,
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Item Type: Book
Title: Multilayer graph networks for modeling and analyzing exercise scenarios in civil protection and disaster response
Language: English
Abstract:

Based on a reflection of the emergency sector as critical infrastructure and with reference to the concepts of preparedness and prevention as well as criticality, the dissertation examines to what extent software applications can be used to support the planning and evaluation of practical exercises in civil protection and disaster response. A network-theoretical approach is chosen which allows to model scenario-based exercises as dynamic networks. In particular, it is thereby achieved that actions and structures from the exercise can be represented and analyzed in their temporal context through different types of relationships or interactions. First of all, the unique dual role of the emergency sector in the system of infrastructures is addressed and the importance of the practical exercise as a training method and for simulating real operations for the sector is explained. Based on a literature review and interviews with practice partners from different organizations and authorities of civil protection and disaster response in Germany, the exercise will be analyzed with regard to its objectives and the methods used. In this context, especially practical approaches and problems will be discussed and compared. The analysis shows that each exercise is very different in terms of its underlying objectives and approaches and depends strongly on the needs of the respective organizations and authorities. Furthermore, it becomes apparent that especially the planning of such exercises is very complex and therefore there is a need for support tools for the development of scenarios and the definition of exercise boundaries. Also in connection with the evaluation of the exercises, there is a need for a software solution to support the processes. It is apparent that, despite the existing awareness of the importance of evaluations, hardly any systematic procedures are available for this purpose, and that the evaluation as a whole is often not carried out with the necessary consistency, partly due to time constraints. It is particularly noticeable that communication between the participants is often identified as a potential for errors during the exercise, but that the actual communication interactions taking place during the exercise are not yet systematically recorded and analyzed. In addition to the analysis of the practical exercise, the dissertation also evaluates the relevant research literature from the fields of organizational research, emergency management and risk and criticality research. The potential of social network analysis for the aspects of planning and evaluation of exercises is identified and decisively worked out, which, supported by statements from practice, allows to define requirements for a software system. In order to meet the specific requirements of the exercise, a concept for a network-based support software is designed and implemented in a tablet-based demonstrator application called ScenarioBuilder BOS. The application supports the user in modeling and developing exercise scenarios as well as in analyzing and evaluating them in various ways. For example, simulations of cascading effects can be carried out or the centrality of the various actors in the network can be compared. The aim of the application is to enable the user to develop interpretation approaches and to question actions and relationship structures by presenting the scenario in different perspectives. In order to evaluate the application and the benefit of social network analysis as a methodology to support the planning and evaluation of exercises, the thesis describes four use cases for the ScenarioBuilder BOS, three of which are evaluations of real civil protection exercises in different organizations and authorities. The fourth case describes the use of the application to develop the scenario of a fictitious exercise and serves to validate the simulation and other functions of ScenarioBuilder BOS. The use cases show that the application and the associated methodology of social network analysis has a great potential especially for the evaluation of exercises. It enables a systematic recording and evaluation of communication relationships in particular and can therefore make a valuable contribution, for example, to assessing the workload of actors, analyzing compliance with command structures or explaining dynamics in teams.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Ausgehend von einer Betrachtung des Notfallsektors als kritische Infrastruktur und unter Bezugnahme auf die Konzepte der Preparedness und Prevention sowie der Kritikalität wird im Rahmen der Dissertation untersucht, inwieweit Software-Anwendungen zur Unterstützung der Planung und Evaluation von praktischen Übungen im Bevölkerungsschutz eingesetzt werden können. Hierbei wird ein netzwerktheoretischer Ansatz gewählt der es ermöglicht, Szenario-basierte Übungen als dynamische Netzwerke zu modellieren. Insbesondere wird dadurch erreicht, dass Handlungen und Strukturen aus der Übung durch verschiedene Arten von Beziehungen bzw. Interaktionen in ihrem zeitlichen Zusammenhang dargestellt und analysiert werden können. Zunächst wird auf die besondere Doppelrolle des Notfallsektors im System der Infrastrukturen eingegangen und die Bedeutung der praktischen Übung als Trainingsmethode und zur Simulation realer Einsätze für den Sektor erläutert. Darauf aufbauend wird auf Basis einer Literaturrecherche und Interviews mit Praxispartnern aus unterschiedlichen Organisationen und Behörden des Bevölkerungsschutzes in Deutschland die Übung in Bezug auf die mit ihr verfolgten Ziele und die verwendeten Methodiken hin analysiert. Hierbei werden insbesondere Handlungsweisen und Problemstellungen aus der Praxis thematisiert und verglichen. Dabei stellt sich heraus, dass jede Übung im Hinblick auf ihre zugrunde liegenden Ziele und Herangehensweisen sehr unterschiedlich ist und stark von den Bedürfnissen der jeweiligen Organisationen und Behörden abhängt. Weiterhin zeigt sich, dass insbesondere die Planung solcher Übungen sehr komplex ist und daher ein Bedarf an Unterstützungstools für die Entwicklung von Szenarien und die Definition der Übungsgrenzen besteht. Auch im Zusammenhang mit der Auswertung der Übungen besteht der Wunsch nach einer Softwarelösung zur Unterstützung der Abläufe. Es zeigt sich, dass trotz des vorhandenen Bewusstseins über die Bedeutung von Evaluationen hierzu kaum systematische Verfahren zur Verfügung stehen und dass die Evaluation als Ganzes, auch aus Zeitgründen, oft nicht mit der notwendigen Konsistenz durchgeführt wird. Besonders auffällig ist, dass die Kommunikation der Beteiligten untereinander häufig als Potenzial für Fehler während der Übung identifiziert wird, die tatsächlich stattfindenden Kommunikationsinteraktionen während der Durchführung der Übung jedoch noch nicht systematisch erfasst und analysiert werden. Neben der Analyse der praktischen Übung wird in der Dissertation auch die einschlägige Forschungsliteratur aus den Bereichen der Organisationsforschung, des Notfallmanagements sowie der Risiko- und Kritikalitätsforschung ausgewertet. Dabei wird das Potenzial der sozialen Netzwerkanalyse für die Aspekte der Planung und Auswertung von Übungen identifiziert und dezidiert herausgearbeitet, um damit, gestützt durch Aussagen aus der Praxis, Anforderungen für ein Softwaresystem zu definieren. Um den spezifischen Anforderungen an die Übung gerecht zu werden, wird ein Konzept für eine netzwerkbasierte Unterstützungssoftware entworfen und in einer Tablet-basierten Demonstrator-Anwendung namens ScenarioBuilder BOS umgesetzt. Mit Hilfe der Anwendung wird der Anwender bei der Modellierung und Entwicklung von Übungsszenarien sowie bei deren Analyse und Auswertung auf verschiedene Weise unterstützt. So können Simulationen zu Kaskadeneffekten durchgeführt oder die Zentralität der verschiedenen Akteure im Netzwerk verglichen werden. Ziel der Anwendung ist es, den Benutzer in die Lage zu versetzen, Interpretationsansätze zu entwickeln und Handlungen und Beziehungsstrukturen in Frage zu stellen, indem das Szenario in verschiedenen Perspektiven dargestellt wird. Um die Anwendung und den Nutzen sozialer Netzwerkanalyse als Methodik zur Unterstützung der Planung und Auswertung von Übungen zu evaluieren, beschreibt die Dissertation vier Anwendungsfälle für den ScenarioBuilder BOS, von denen drei Auswertungen realer Katastrophenschutzübungen in verschiedenen Organisationen und Behörden sind. Der vierte Fall beschreibt den Einsatz der Anwendung zur Entwicklung des Szenarios einer fiktiven Übung und dient der Validierung der Simulation und anderer Funktionen des ScenarioBuilder BOS. Die Anwendungsfälle zeigen, dass die Anwendung und die damit verbundene Methodik der sozialen Netzwerkanalyse ein großes Potenzial insbesondere für die Auswertung von Übungen hat. Sie ermöglicht eine systematische Erfassung und Auswertung speziell von Kommunikationsbeziehungen und kann damit einen wertvollen Beitrag zum Beispiel zur Einschätzung der Arbeitsbelastung von Akteuren, zur Analyse der Einhaltung von Befehlsstrukturen oder zur Erklärung von Dynamiken in Teams leisten.German
Series Name: Berichte des Instituts für Numerische Methoden und Informatik im Bauwesen
Volume: 2020,3
Place of Publication: Düren
Publisher: Shaker Verlag
Edition: 1. Auflage
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 13 Department of Civil and Environmental Engineering Sciences > Institute of Numerical Methods and Informatics in Civil Engineering
DFG-Graduiertenkollegs > Research Training Group 2222 CRITIS – Critical Infrastructures: Construction, Functional Failures, and Protection in Cities
Date Deposited: 29 Sep 2020 14:09
Last Modified: 29 Sep 2020 17:03
DOI: 10.25534/tuprints-00013149
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-131491
Referees: Rüppel, Prof. Dr. Uwe and Engels, Prof. Dr. Jens Ivo
Refereed: 30 June 2020
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/13149
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