基于元胞自動機的畜禽傳染性疾病防控對策分析

林學杰，陳秋強

（廈門大學嘉庚學院，福建 漳州 363100）

雖然目前我國養殖業仍以散戶為主，但是由于環保、食品安全等約束性法規和相關行業扶持政策的影響，養殖結構性分化正在加速，散養比例顯著降低的同時，規模化養殖企業正在快速擴張，這對我國畜禽養殖行業疫病的防控能力帶來了更大的挑戰[1-2]。

畜禽養殖業會受到各類傳染病的威脅。例如2018～2019年的非洲豬瘟疫情給我國生豬養殖產業帶來了較大的打擊，全國生豬存欄量下降明顯，如圖1所示。

圖1 全國生豬存欄量季度數據（單位：萬頭）

畜禽養殖業在行業規模化升級變革的背景下，如何借助科學的方法與手段對畜禽養殖業的傳染性疾病進行防控，從而在獸用防疫資源有限的情況下，以盡可能經濟的手段快速控制畜禽業傳染病的傳播，減少散養農戶和規模化農場的損失，是畜禽養殖行業亟需關注的重要課題[3]。

本文引入元胞自動機（Cellular Automata），以空間-時間雙離散演化動力系統仿真在畜禽養殖行業中，農戶所養殖的畜禽發生散發性傳染病疫情的情況下，不同的防疫控制手段能否有效、快速地抑制和消滅疫情，并通過對比來驗證不同防疫手段，在不同養殖周期的畜禽品種、不同市場流通速度、不同致病性和傳染性的傳染病疫情下作用效果的優劣次序，從而為相關政策的制定和基層防疫部門的決策提供科學的參考[4]。

1 模型假設與參數設定

本文的模型設定存在三種狀態的元胞 （Cell），分別代表健康畜禽（白色）、染病畜禽（紅色）和免疫畜禽（黃色），其中考慮到大多數需要進行疫情防控和撲殺的畜禽傳染病自愈率極低，因此免疫狀態不考慮畜禽自體免疫，僅考慮人工疫苗接種帶來的外部免疫。在演進仿真系統中，畜禽群體在設定的壽命、產仔率和環境可承載的養殖總量等參數下不斷生息繁衍，由人工控制向仿真系統中撒播突發疫情，從而仿真不同病程長度、治愈概率和傳染概率等參數組合下不同傳染病的傳染效果，并以此觀察包括部分接種疫苗（考慮到獸用疫苗成本，非疫情期間散養農戶的接種意愿往往較為不足）和疫苗非100%有效（獸用疫苗有效性往往弱于人用疫苗）在內的不同防疫手段的控制效果[5]。

1.1 畜禽元胞及傳染病固有屬性設定

在畜禽養殖行業，不同品種的動物往往具有不同的喂養周期，因此本文以周為單位設定畜禽元胞的壽命，以對應現實世界中不同畜禽品種的養殖時長。其次由于畜禽養殖行業中，種畜和種禽是重要的循環資源，其產仔頻率也決定著養殖規模，因此本文以產仔概率來反映不同品種畜禽的繁殖速率，較高產仔概率可以帶來更快的畜禽世代更新率和更快的養殖規模增長率。

另一方面，對養殖業來說，傳染病的傳染可能性與病程持續長度往往是疾病固有的特征，無法依靠醫學或是防疫手段進行更改，因此本文以傳染概率和傳染病病程兩大參數定義傳染病的固有特征，從而映（影）射現實世界中不同的畜禽傳染病。

1.2 畜禽疫病防控及環境參數設定

在畜禽養殖業，暴發疫情時常見的傳染病控制和預防手段往往包括執行嚴格的隔離措施、限制動物流通、提前預防接種獸用疫苗、使用獸用藥物對病畜禽進行治療、控制行業養殖規模以降低養殖密度等。因此，本文針對不同防疫手段及其可能的變動參數進行了分別設置，來表現不同防疫措施的不同實施狀態。

針對病畜禽隔離與撲殺措施，本文以畜禽流動速度作為該措施實施力度的映射參數，該參數越高，代表隔離措施越弱，畜禽元胞在演進系統中的移動速度越快，病畜禽的病毒擴散概率也隨之增大；另一方面本文以獸用疫苗接種比例和免疫概率來表現在預防疫病的疫苗接種措施中存在的兩大控制參數，即主觀參數-養殖戶接種意愿和客觀參數-疫苗有效防護率；再者以疾病治愈概率來表現獸用醫療技術的改進和科技下鄉等措施帶來的傳染病治療效果的改善，在演進系統中，當傳染病發病病程到期時，將以該概率決定該只病畜禽痊愈存活或是死亡；最后，本文以初始畜禽總數和可養殖總量來表現特定畜禽行業的養殖密度與規模，并以初始感染比例來表現畜禽業傳染病疫情報告制度的及時性給疫情防控帶來的影響。

1.3 演化系統全局設定

本文以一個56×40的二維離散棋盤作為演進系統的整體環境，所有的畜禽元胞都位于該離散棋盤中的某個位置，并依照設定的速度進行移動，并且允許兩個元胞存活在同一個棋格中，來代表畜禽間的密切接觸[6]。

在演進過程中，每一個離散的輪次，每只畜禽的年齡增加1個單位，并且健康但未免疫畜禽元胞到達新的位置后，如遇上另一只患病畜禽，則健康畜禽將以設定的概率被感染，而對應的已免疫畜禽元胞將不會患病。當所有畜禽元胞總量還未超過設定的可養殖總量時，到達新位置并且壽命大于最長壽命20%的健康畜禽元胞將以設定的概率產生一只健康后代，并將其年齡設定為1。

對于患病的畜禽，每一個離散輪次，隨著年齡增加的同時，其患病輪次也會增加1個單位，當傳染病病程到達設定值時，該染病畜禽將以系統設定的概率痊愈，未痊愈的個體則立刻死亡。而對于健康和免疫的畜禽，其年齡到達最大年齡時，該畜禽也將死亡。

本文所設計的元胞系統包含了兩個人工干預按鈕，其中“突發疫情”按鈕將按系統設定的比例使對應比例的畜禽染上傳染病，表現疫情的暴發；而“疫苗接種”按鈕將按系統設定的比例和免疫概率讓對應比例的畜禽以一定概率變為免疫狀態，該免疫狀態將持續到該健康畜禽死亡為止，但是其產下的后代不會自動擁有免疫狀態[7]。

綜上所述本文的演進系統如圖2所示：

圖2 畜禽傳染病防控元胞機系統示意圖

2 元胞演進體系設計與結果分析

針對不同類型的畜禽養殖細分領域，本文以不同的系統參數組合進行映射，并通過元胞自動機系統的演進來觀察不同畜禽養殖環境下，對比針對不同類型的傳染性疾病防控策略的效果。

2.1 高致命長壽命少仔型系統

在長壽命少仔型畜禽品種如牛羊放牧業、生豬養殖業領域，高傳染高致命性傳染病例如非洲豬瘟、瘋牛病對于產業運作的負面影響極大。因此本文設定95%的傳染概率、5%的治愈率、10%的產仔概率、10周傳染病病程、208周即4年的單體壽命，以該環境針對該類型傳染病的管控措施仿真如圖3所示，對其進行對比可以發現：

圖3 高致命長壽命少仔型養殖業傳染病疫情防控效果對比圖

首先，在以牛羊為代表的長壽命少仔型養殖業，針對急性傳染病最有效的管控措施就是以足夠高的覆蓋比例，為畜禽接種有效防護率較高的疫苗，從而形成有效的群體免疫，迅速隔斷高致病、高傳染性疾病的快速傳播。在疫苗接種過程中，如果接種比例過低或是疫苗有效性不足，對傳染病傳播的控制并不能起到非常顯著的效果，因此在國家動物疫苗強制免疫計劃中，應當多關注該類疫苗的強制免疫推動工作，例如目前國家推行的口蹄疫、高致病性豬藍耳病疫苗的強制接種便是這類疫病在我國得到有效控制的關鍵措施。

其次，經過仿真發現，建立有效的動物疫情匯報制度，從而在疫情暴發的早期階段對傳染病進行防控部署可以相對有效地控制該細分領域傳染病的傳播范圍，從而降低其對養殖業的影響，但是該措施無法有效縮短傳染病暴發的持續時間，因此對于養殖業正常秩序的回歸起不到有效的積極作用。

再者，降低畜禽流動速度的隔離措施無法對該類型畜禽養殖業傳染病疫情的傳染規模起到有效的控制作用，但是對于疫情消退的速度可以起到一定的積極作用，因此對于病畜病禽的隔離在這種急性惡性傳染病疫情暴發的情況下，只能起到輔助疫情、盡快平息的作用，但無法抵消疫情對產業發展帶來的負面影響，必須搭配其他防控手段才能獲得積極的防疫效果。

最后，隨著我國養殖業規模化變革的逐漸深入，當養殖規模和總量上升時，惡性傳染病疫情帶來的損失也將十分巨大。從仿真結果可以發現，當環境可養殖總量提高50%后，由于畜禽基數較大，因此在相同條件下惡性傳染病疫情呈現此起彼伏、綿延不絕的特點，無法自行消退，因此在未來我國養殖業規模不斷擴大的情況下，防疫措施的有效實施對于該產業的有效發展是十分重要的。

2.2 低致命長壽命少仔型系統

以牛羊為代表的長壽命少仔型畜禽在養殖過程中往往也容易暴發一些高傳染性但低致命性的傳染病疫情，如牛肺疫、羊口瘡等。這些低致命性傳染病雖然不會導致畜禽死亡，但是往往會使經濟用畜禽處在炎癥、發熱等不良健康狀態下，對其經濟價值帶來不良影響，增加養殖戶的成本負擔。因此本文以95%的傳染概率、50%的治愈率、10%的產仔概率、50周傳染病病程、208周即4年的單體壽命作為低致命性傳染病在該養殖細分領域的設定，并在初始輪便暴發疫情，以該演進系統對比不同的防疫手段。

觀察演進系統的仿真結果可以發現，雖然低致命性傳染病直接致死率較低，但是如果放任疫情發展，由于處在不健康狀態的病畜病禽無法生育產仔，其對整個產業的總體產值負面影響依然是十分巨大的；同時由于病畜禽死亡率較低，其帶毒狀態將使病毒的傳播存在龐大的基數，因此疫情往往無法簡單地自行消亡。如圖3所示，對比針對該類型傳染病的防疫措施可以發現：

在長壽命少仔型畜禽養殖業中，對于低致命性的傳染病，多數防疫手段對反復暴發的傳染病的防治效果十分有限，包括及時的疫情報告制度、未能全面覆蓋的疫苗接種都無法產生長期抑制疫情的效果。另一方面，雖然100%的疫苗接種可以產生最好的防疫效果，但是受限于養殖成本和養殖戶的接種醫院，該措施的可行性較低。再者，畜禽流動速度的降低雖然起到了部分抑制疫情的作用，并且也保障了產業經濟產值的穩定，但是其對流通速度的限制往往會降低市場活躍度，給該產業帶來負面影響。最后，養殖規模的大小并不影響低致命性傳染病的暴發特征和傳染模式。綜上可知，對于低致命性傳染病的防治，應當盡可能地推動治療手段的升級，并且通過完善的獸用醫療體系的構建，提高傳染病的治愈效果，這將是針對該類型疫情最有效的防控手段。

2.3 高致命短壽命多仔型系統

作為畜禽養殖品種中的重要組成部分，以雞鴨為代表的短壽命多仔型畜禽養殖品種往往也存在一些高傳染且高致命性的傳染病，如高致病性禽流感、雞馬立克氏病等，這些傳染病疫情的暴發往往會給養殖戶帶來極大的損失。因此本文以95%的傳染概率、5%的治愈率、80%的產仔概率、10周傳染病病程、26周即半年的單體壽命作為設定，以挖掘在該細分養殖領域，高致命性傳染病防控策略的有效性，如圖4所示。基于該演進結果可以發現，在雞鴨為代表的短壽命多仔型畜禽養殖業發生高致死傳染病的情況下，最有效的防疫應對策略包括及時的疫情報告制度和及時的撲殺與限制流通措施。在演進系統中，及時的疫情報告以降低疫情暴發時的初始感染比例，可以有效降低疫情的感染規模，從而降低養殖戶的損失；而及時進行撲殺和流通限制，可以有效縮短疫情的流行周期，從而盡快撲滅疫情。

圖4 低致命長壽命少仔型養殖業傳染病疫情防控效果對比圖

其次，在高致命疫情暴發時，短壽命型畜禽群體依靠接種疫苗形成群體免疫往往會由于畜禽代際更迭過快導致帶毒群體還未撲滅時，免疫群體便已自然死亡，使免疫種群數跌破群體免疫的閾值線，無法形成有效的免疫效果。因此除非能做到100%全覆蓋接種疫苗，否則疫苗防控措施無法在該情境下獲得有效的防疫效果。

最后，可養殖總量上升時，可以發現演進過程中傳染病疫情并不會自然消退，而是會處在一個微弱的平衡狀態，因此在我國養殖業規模逐漸擴大的背景下，以雞鴨為代表的短壽命多仔型養殖行業暴發高致命性傳染病疫情時，不應當寄希望于其自然消退而放任其發展，應當采取強有力的防疫管控方能終止疫情。

2.4 低致命短壽命多仔型系統

在雞鴨為代表的短壽命多仔型養殖業中，諸如禽傷寒、雞腺病毒等高傳染低致命性傳染病疫情嚴重危害畜禽養殖行業。雖然這些傳染病往往不會導致病畜禽死亡，但是被傳染的畜禽往往會出現諸如體重下降、禽蛋產量下降、肉質變差等不良現象，因此需要以有效的防控措施對疫情加以抑制。

本文以95%的傳染概率、50%的治愈率、80%的產仔概率、20周傳染病病程、26周單體壽命作為低致命性傳染病在短壽命多仔型畜禽群體傳播情境的模擬，通過元胞自動機演進結果對比不同的防疫手段的防控效果，如圖5所示。

圖5 高致命短壽命多仔型養殖業傳染病疫情防控效果對比圖

基于該元胞自動機演進結果可以發現，在雞鴨為代表的短壽命多仔型養殖業中，低致命性高傳染率傳染病屬于較難有效控制的疫情，一旦暴發，最有效的防疫方式只有進行及時的隔離，有效降低市場流通速度，從而撲滅疫情。另一方面在成本可行的情況下，100%全覆蓋接種疫苗也是防范該類傳染病疫情的有效方法。再者，通過演進可以發現，針對該類傳染病建立及時的報告制度以控制初始感染規模、使用更先進的獸用醫療體系以提高疾病治愈率并不能起到較好的防疫控制效果。最后，隨著我國養殖規模的升級，該類傳染病疫情一旦暴發將會感染更多的短壽命多仔型畜禽，并且其比例將高于健康畜禽，因此在該類疫情暴發時，不應當放任不管，而應該對其進行科學地管控。

圖6 低致命短壽命多仔型養殖業傳染病疫情防控效果對比圖

3 元胞自動機演進結果總結及應用

基于本文所設計的四個不同類型的元胞自動機演進系統的分析結果可以發現，在不同類型的畜禽養殖業細分領域中，針對不同的高傳染性疾病，不同防疫措施防疫的效果優劣存在一定的差異。

基于演進結果可以發現，以牛羊為代表的畜禽養殖品種由于壽命較長、產仔率相對較低，因此其世代更迭的養殖特征決定了在面對高致命性傳染病疫情暴發的危機時，提前全面覆蓋接種疫苗是最有效的管控方法，包括隔離撲殺、疫情及時上報等預警制度僅僅只能作為輔助的防控手段。而對于一些致命性較低的普通傳染病，對病畜禽醫治手段的升級、提高治愈率是最有效最經濟的疫情控制方法。因此在該細分領域，推動有效的強制重疾疫苗接種制度、送醫下鄉提高輕微疾病畜禽治愈率是傳染性疾病防控最有效的組合措施。

另一方面對于以雞鴨為代表的養殖周期較短、產仔產蛋率較高的畜禽養殖品種，當其發生高致命性傳染病疫情時，最有效的控制手段是結合疫情及時報告制度和及時撲殺隔離限制流通的組合防疫策略；而對于低致命性傳染病，唯一經濟有效的手段只有進行隔離撲殺，從而限制疫情傳播。

綜上所述，隨著我國畜禽養殖業規模的不斷擴大，各種類型傳染病疫情的發生必然無法靠其自然消退而撲滅，因此結合不同的防疫控制手段，對疫情進行有效管控與撲殺是保證畜禽養殖業健康發展的必然途徑。