美国生物监视计划：发展、现状与启示

生物监视是生物威胁预警中的关键环节。成功的生物监视将能对潜在的生物威胁做出准确的提前预判，对做出及时有效的应对决策至关重要。本文拟对美国生物监视计划的发展历程做一全面而深入的探究。文章梳理了自生物监视计划启动以来，从第一、二代到第三代系统，再到生物探测技术提升计划，直至21世纪生物探测计划（Biological Detection for the 21st Century，BD21）这一发展过程中不断转型、升级的原因，深入比较了各代计划的优劣势，详细分析了当下BD21建设面临的挑战，并对其未来可能的发展前景有所预判。文章认为，该计划在发展过程中尽管历经坎坷，且当前依然存在诸多不成熟之处，然而作为当今世界上最先进的生物预警手段，在生物危机可能性日益加大的时代背景下依然具有极高的价值。也正因为如此，美国政府自始至终对其持坚定支持态度，其发展前景较为乐观。鉴此，我应对该计划的未来进展保持高度关注。此外，该计划发展过程中内部监督的不足与外部监督的充分也值得我们有所借鉴。

在试错中不断改进升级

由于生物恐怖威胁，以及其他形式的生物威胁，都属于“可能性小后果极其严重”的威胁范畴，因此在相应的防御中往往遭遇尴尬境地：倘若投入过大威胁却长期没有出现，必然会遭到质疑；倘若投入不足则有可能导致无法应对威胁。为实现早期预警、提前应对、最大可能减少伤亡的目标。鉴于BioWatch本身所具有的难度，从2003年开始美国政府对该计划进行了多次改进与升级，使其能够更好地满足应对生物威胁的需要。

2.1 从第一、二代向第三代的升级

由国土安全部、环境保护署和疾病预防控制中心三家共同推出的生物监视系统从2003年起正式投入使用。在其运行初期，测试装置被安放在20个大都会地区，最终目标是全美80%的人口居住地区都将得到覆盖。

在第一代生物监视系统运行2年之后，第二代系统被投入使用。经过这次升级，不仅设备的投入范围有所扩大，还加快了检测速度，从采样到完成初步检测时间为10~36个小时。不仅如此，生物监视系统的传感器还被融入一套集环境监测、医学监测技术和公共卫生反应于一身的复杂系统之中。通过大众认知信息监测、病征监测、实验室监测和环境监测技术与系统间的有机融合，生物恐怖袭击将能得到最有效的防御。

在监视系统投入使用5年后，2008年由美国国家科学院的医学研究所（Institute of Medicine）和国家科学研究委员会（National Research Council）组织了来自斯坦福、北卡罗来纳、哈佛、加利福尼亚等多所高校与研究所的专家组成“国家生物监测系统有效性评估委员会”，对2003年开始投入使用的生物监视系统进行评估。评估发现，在2003—2008年期间，生物监视系统共对搜集到的样本进行了几百万次的实验室分析与鉴定。在这几百万次样本分析与鉴定中，共出现过几十次生物监视可行动结果（BioWatch Actionable Result，BAR），即当分析结果辨识出该系统针对的5种目标生物威胁介质之一时，实验室就会将该结果报告给当地的公共卫生官员，后者随之确定应对方案。由于在应对相关威胁时需要在短时间内采取多项行动，包括对民众预警、限制行动、医学检测等，因此若出现误判，对于美国这样反感政府干预私人生活的国家来说，将有可能导致民众对公共卫生系统失去信任。而在上述几十次的“可行动结果”发现中，没有一次是源于有害生物介质的故意释放。尽管国土安全部认为这些发现的对象确属5种目标介质的范畴之内，但委员会认为由于其并非生物恐怖主义袭击的结果，因此还是应当被归于“假阳性”发现之列。

为了解决前期监视系统性能方面的不足，包括开发出能够对生物武器介质做出更准确判断的测试与鉴定技术，以及对公共卫生威胁发出更加及时的提醒，在上述委员会开始评估之时，第三代生物监视系统已投入开发。与第二代系统相比，第三代系统不仅部署的地区与装置数量大为增加，更重要的是在技术上有了很大改进，它带来的新的环境传感技术被称为“盒子里的实验室”。具体而言，它和第二代系统最大的区别就是，能够在现场就对空气样本进行自动搜集并作出分析，并在采集样本后4~6小时内将分析结果通过网络上报。此外，第三代技术还会增加对目标生物威胁介质的监视，同时在不改变监视灵敏度与假阳性检测率的情况下减少单个监视装置的采购成本。

2.2 从BioWatch到生物探测技术提升计划

2013年，负责管理BioWatch的国土安全部前卫生事务办公室意识到生物监视的及时性需要得到进一步提升，然而第三代生物监视系统开发受挫，其设想中的技术升级难以实现。对生物监测保持高度关注的蓝带生物防御委员会也在2015年的《生物防御国家蓝图》中建议开发更加先进的环境监测系统。卫生事务办公室随后启动了生物监视系统的替代方案分析。虽然在多方综合分析之后原系统得到沿用，但升级尝试仍在继续。2017—2018年间，在前期替代方案分析结果的基础上，加上各种分析、市场调查和若干次有州和地方决策者参与的工作坊研讨，卫生事务办公室以及后来成立的反大规模杀伤性武器办公室最终决定启动生物探测技术提升计划（Biodetection Technology Enhancement，BTE），旨在以渐进的方式提高对有害物质监测的及时性，扩大系统覆盖范围和受益人群，同时增加有害病原体的探测种类。相比之前的生物监视系统，此次技术提升旨在减少从发现危险到做出应对的时间。它利用一种触发装置，一旦持续监控系统发现问题，触发装置便会在2分钟内自动触发下一个环节，即空气样本搜集，并在样本搜集完成后进入有有害介质的现地筛查环节。如果必要这些样本会被送到实验室进行最后的验证。相对于之前生物监视系统从样本搜集到做出应对共需要的36小时，BTE需要的时间一共不超过9小时。此外，该计划的优势还体现在，之前的系统需要人力每天手动采集样本送到实验室，升级后由于有了自动触发装置，大大减少了对人力的要求。

然而，在试用的过程中人们发现，这一系统也远非完善。从灵敏度和精确度这两个至关重要的方面来看，该系统虽然能够准确探测出大颗粒物质，但对细小颗粒的物质却灵敏度不够，导致某些细小的病毒颗粒可能无法得到准确探测。正如2019年2月《洛杉矶时报》所指出的，2018年该系统有4台装置未能探测出颗粒微小、未形成团状的作为制造生物武器重要成分的炭疽孢子；而在对天花或其他可被用于生物武器制造的致命病毒的168次探测试验中，只有8次获得了成功，成功率低于5%。更加严重的是，自动触发装置虽然看起来节约了时间，但却因对有害和无害颗粒区分不清而时常出现误判。这不仅意味着资源的浪费，更糟糕的是会严重削减人们对系统的信任度。再加上这次升级带来的成本大幅提升，2018年国土安全部最终决定放弃该升级计划。

2.3 BD21的提出

为了配合美国《国家生物防御战略》的出台，尤其是促进该战略五大目标中强化风险意识、提升防御能力这两项目标的实现，反大规模杀伤性武器办公室的领导层又于2018年11月决定启动BD21。BD21的最终目标在于增加生物监测密度，同时运用机器习得以及数据分析学等手段加强系统的性能，尤其是通过利用现有的商用触发装置来减少过多的假阳性误报案例。BD21的运行过程如图1所示。

与之前的生物监视系统相比，BD21使用了异常侦测感应器和数据分析法，以实现持续监视和现地筛查，并能对被排放到空气中的有害微生物进行及时上报，旨在缩短探测时间以实现提早反应，并使得联邦政府、州和地方的相关部门能够同时掌握局势以便协调一致。BD21中的两项关键核心技术为触发装置和便携式生物介质识别器，前者即前文提到的BTE中的触发装置，后者则是在触发装置发出报警后，被初期响应人员用来对悬浮于空气中的介质样本进行就地筛查以做出初期核验，而无需每次都费时费力地送到实验室进行验证。此外，BD21的另一项关键技术要素是配合自动触发装置、避免其发出误报的异常介质探测算法（Anomaly Detection Algorithm）。由于BD21中的生物传感器相互联接共同形成一个网络系统，它们从空气中搜集到的大量数据被汇总之后，便会有助于异常介质探测算法将有害和无害介质做出准确区分，从而最大程度减少误判。BD21的另一大优势在于，它能够监测的介质种类远远超出原生物监视系统所能覆盖的范围，且能根据新威胁的出现而不断更新。此外，该系统对外界环境要求不高，能够在各种气候条件、各类环境中，包括室内、室外和半室内的条件下进行工作。更加令人心动的是，一旦技术足够成熟，BD21的预计成本将只需保持在原生物监视系统的同等水平。

按照美国国土安全部的说法，BioWatch这项全面反恐战略基石将帮助挽救生命的治疗过程能够尽早开始：一旦检测出阳性病原体，公共卫生和其他地方与州政府的官员便会根据这一信息协调各方做出紧急反应，包括技术的医疗关照以及其他保护公共卫生与安全的行动。上述早期预警与快速反应的有效结合将能减少因生物恐怖袭击带来的人员伤亡。但由于一开始便是在未经充分认证的情况下匆匆推出，再加上准确检测出散布在空气中的有害介质并做出判断具有相当高的技术难度，BioWatch在推进的过程中历经坎坷。对于刚启动不仅、远未完成采办周期的BD21，虽然其理论设计能基本解决之前存在的诸多问题，但在将理想转化为现实的过程中，也会必然经历多重考验。

3.1 来自《洛杉矶时报》的质疑

2019年2月15日，《洛杉矶时报》首先发出了对BD21系统的质疑。文章指出，“9·11”之后仓促上马的BioWatch在遭遇各种挫败之后，新近推出的BD21系统又在未告知公众的情况下于2018年底开始投入安装，并计划在2025年之前投入大约9千套这样的设备。然而该报调查发现，这套系统仍存在严重缺陷：之前在陆军兵营中的测试以及在部分军事行动中对系统感应装置的使用表明，新系统在对细菌、病毒和毒素的探测方面存在严重问题。国土安全部科技委员会推出的一份出自于约翰斯霍普金斯大学应用物理实验室的报告警告称，该系统的预警触发装置经常无法区分致命病原体和空气中的花粉或纸屑，从而增加了错误预警的机率。除此之外，报告还显示，2018年有4台装置未能探测出颗粒微小、未形成团状的作为制造生物武器重要成分的炭疽孢子。更为严重的是，在对天花或其他可被用于生物武器制造的致命病毒的168次探测试验中，只有8次获得了成功，成功率低于5%。鉴于此，《洛杉矶时报》认为，更新后的生物监视系统其性能有可能甚至不及其前身，还会带来更多的错误预警，大大增加了州和地方政府不必要的负担。

3.2 国会职能委员会的评估请求

《洛杉矶时报》的质疑引发了多方关注。2019年4月，美国国会众议院能源与贸易委员会致信国土安全部时任执行秘书长Kevin K. McAleenan，要求国土安全部就BD21当前的实施情况以及国土安全部科技委员会推出的那份报告做出简要说明。一个月之后，国土安全部召开了一场情况介绍会，就上述质疑做出解释。他们指出，事实上《洛杉矶时报》中提到的测试结果并非源自于BD21，而是已被放弃了的BTE的一部分；而处于试点阶段的BD21远未正式投入使用。当然，BD21试点计划中使用的某些产品与BTE的确是相同的。然而能源与贸易委员会对此并不满意，2019年8月又致信政府问责局，要求其对下述问题做出评估，包括：针对2015年政府问责局提出的确保生物监视系统能力的相关建议，有哪些得到了执行？国土安全部对系统的技术采办有哪些明确要求，这些要求又在多大程度上在BD21中得到了执行？BD21中关键技术的成熟度有多高，国土安全部的测试与评估计划是否足以降低BD21建设过程中可能面临的风险，截至目前是否已有一定的结果得到呈现，该结果究竟如何？

2019年11月，众议院科学、太空与技术委员会也加入了对政府问责局提出的评估请求。他们除了重复能源与贸易委员会已有的要求之外，更是对该系统的推进速度、技术支持以及部门间合作这三个方面提出了强烈质疑。一是质疑计划推进速度超出了合理的范畴。请求指出，国土安全部为了能尽快推进生物探测系统的应用，盲目追求速度而牺牲质量，批准负责该项目的反大规模杀伤性武器办公室跳过本应在正式采办程序初期就出具的“能力分析报告”，并允许其延迟推出该系统的“任务成果评价指标”。更加糟糕的是，该办公室在这两份对于确保新系统可靠性至关重要的报告远未被提起的时候就已启动了计划。此外，要想确保新系统是费效比最高的最佳选择，还需要进行一项“其他选项分析”，这项分析将被包含在系统第二阶段的采办环节中。2019年6月，国土安全部宣称预计这一环节将历时一年；然而事实上，这其中单是“其他选项分析”一项就需要“一年到两年半”才能完成。经过如此压缩的时间表所带来的系统性能可靠性于是可想而知。二是有关系统技术支持的质疑。这份评估请求认为，新系统中的两大关键技术环节，即用于发出预警的触发装置和用于验证预警的便携式生物介质识别器，是否具有足够的灵敏度和精确度值得怀疑。前者因对小颗粒物质缺乏敏感性而灵敏度不够，无法完成必要的预警任务；后者虽然对小颗粒物足够敏感，但却难以区分有害物质和无害物质，缺乏必要的精确度，从而有可能不仅浪费资源，还会招致不必要的恐慌。而该系统赖以成功的另一项关键技术，即预计将大力提升系统效率的异常介质探测算法，其实仅处于构想阶段，究竟能否实现尚无定论。三是对部门间合作情况的质疑。委员会认为，国土安全部在与其他相关部门间的合作方面存在诸多不足，例如公共卫生官员和地方政府部门，他们对BD21相关信息的了解严重滞后甚至毫不知情。

3.3 政府问责局的评估

在此背景下，美国政府问责局于2021年5月推出了最新的评估报告《生物防御：国土安全部正探索新方法以替代生物监视系统》，对BD21系统的最新进展及未来前景做出了评估。

这次评估的主要内容包括：详细描述BD21及其对国土安全部采办政策的遵守情况；探究BD21的成功开发所面临的潜在挑战，以及项目组为缓解风险已采取的举措。报告首先肯定了计划的重要意义及其面临的严峻挑战。面对范围甚广且处于不断变化中的生物战、生物恐怖主义以及自然发生的大规模传染病威胁，准确及时的早期预警至关重要。相较之前已在运行的生物监视计划，BD21预计将大幅提升对有害生物介质的探测速度与效率，如若成功则意义重大。然而事实上，不断变化的生物威胁图景又意味着及时准确的生物监视不得不面临重重挑战：一是与核、化学与放射性物质相比，生物介质种类繁多，且很多天然存在于大自然中，难以做出准确判断；二是病毒的基因序列构成极易发生变化，进一步加大了早期准确判断的难度；三是鉴于前两种困难的存在，再加上生物介质原本自然存在且能发生自然变化，生物威胁来源的追踪就变得更富挑战性。在计划的进展方面，评估发现，虽然BD21在前期已经做了一些必要的准备工作，但它的成功实施还存在几个方面的困难。首先是技术方面的困难。BD21在系统运行的若干技术环节上还不成熟，包括负责发出警报的触发器技术的不完备和因自然环境的复杂性带来的现地筛查技术的不完备，而另一项聚合酶链反应（Polymerase Chain Reaction，PCR）技术虽然相对成熟，但对之前未知的介质或已知介质转化之后的物质检测能力仍有待完善。更重要的是，对于降低假阳性报警率至关重要的异常介质探测算法事实上还未曾被开发出来，更谈不上在有着大量居民的城市环境中得到使用。为了避免因技术不成熟给BD21带来的风险，项目办公室已经着手采取一些措施以规避风险，包括技术验证、替代方案分析和技术完备性评估（Technology Readiness Assessment，TRA）。国土安全部科学与工程办公室于2020年9月发布了《技术完备性/制造完备性评估指南》，以便对计划中的关键技术做出评估，并减小在采办过程中可能遇到的风险。然而政府问责局的评估报告显示，国土安全部的这份指南并未完全遵从该局在2020年1月发布的技术完备性指南中列出的8项最佳方案：在这8项最佳方案里，有4项得到了充分体现，3项部分体现，还有一项未得到体现。鉴于这两份指南均发布时间不长，再加上BD21尚处于初期论证阶段，国土安全部完全有机会进一步完善其评估指南。

由此可见，尚未完成论证阶段的BD21当前正面临重重困难，虽然前期已付出了诸多努力，但迄今为止其有效性仍有待进一步验证。但即便如此，对此次评估的结果也无需过于悲观。首先，正如前文所述，该计划的难度与价值已经得到了充分认可；其次，评估对于该计划更多是给予积极的建议而非消极的批评甚至否定。评估报告的最后不仅附上了相关责任单位，即国土安全部针对前述问题提出的整改措施，而且还有政府问责局对整改措施的进一步建议。因此总的来看，评估报告对BD21的未来发展仍然持积极态度。