基于元胞自动机的畜禽传染性疾病防控对策分析

林学杰，陈秋强

（厦门大学嘉庚学院，福建 漳州 363100）

虽然目前我国养殖业仍以散户为主，但是由于环保、食品安全等约束性法规和相关行业扶持政策的影响，养殖结构性分化正在加速，散养比例显著降低的同时，规模化养殖企业正在快速扩张，这对我国畜禽养殖行业疫病的防控能力带来了更大的挑战[1-2]。

畜禽养殖业会受到各类传染病的威胁。例如2018～2019年的非洲猪瘟疫情给我国生猪养殖产业带来了较大的打击，全国生猪存栏量下降明显，如图1所示。

图1 全国生猪存栏量季度数据（单位：万头）

畜禽养殖业在行业规模化升级变革的背景下，如何借助科学的方法与手段对畜禽养殖业的传染性疾病进行防控，从而在兽用防疫资源有限的情况下，以尽可能经济的手段快速控制畜禽业传染病的传播，减少散养农户和规模化农场的损失，是畜禽养殖行业亟需关注的重要课题[3]。

本文引入元胞自动机（Cellular Automata），以空间-时间双离散演化动力系统仿真在畜禽养殖行业中，农户所养殖的畜禽发生散发性传染病疫情的情况下，不同的防疫控制手段能否有效、快速地抑制和消灭疫情，并通过对比来验证不同防疫手段，在不同养殖周期的畜禽品种、不同市场流通速度、不同致病性和传染性的传染病疫情下作用效果的优劣次序，从而为相关政策的制定和基层防疫部门的决策提供科学的参考[4]。

1 模型假设与参数设定

本文的模型设定存在三种状态的元胞 （Cell），分别代表健康畜禽（白色）、染病畜禽（红色）和免疫畜禽（黄色），其中考虑到大多数需要进行疫情防控和扑杀的畜禽传染病自愈率极低，因此免疫状态不考虑畜禽自体免疫，仅考虑人工疫苗接种带来的外部免疫。在演进仿真系统中，畜禽群体在设定的寿命、产仔率和环境可承载的养殖总量等参数下不断生息繁衍，由人工控制向仿真系统中撒播突发疫情，从而仿真不同病程长度、治愈概率和传染概率等参数组合下不同传染病的传染效果，并以此观察包括部分接种疫苗（考虑到兽用疫苗成本，非疫情期间散养农户的接种意愿往往较为不足）和疫苗非100%有效（兽用疫苗有效性往往弱于人用疫苗）在内的不同防疫手段的控制效果[5]。

1.1 畜禽元胞及传染病固有属性设定

在畜禽养殖行业，不同品种的动物往往具有不同的喂养周期，因此本文以周为单位设定畜禽元胞的寿命，以对应现实世界中不同畜禽品种的养殖时长。其次由于畜禽养殖行业中，种畜和种禽是重要的循环资源，其产仔频率也决定着养殖规模，因此本文以产仔概率来反映不同品种畜禽的繁殖速率，较高产仔概率可以带来更快的畜禽世代更新率和更快的养殖规模增长率。

另一方面，对养殖业来说，传染病的传染可能性与病程持续长度往往是疾病固有的特征，无法依靠医学或是防疫手段进行更改，因此本文以传染概率和传染病病程两大参数定义传染病的固有特征，从而映（影）射现实世界中不同的畜禽传染病。

1.2 畜禽疫病防控及环境参数设定

在畜禽养殖业，暴发疫情时常见的传染病控制和预防手段往往包括执行严格的隔离措施、限制动物流通、提前预防接种兽用疫苗、使用兽用药物对病畜禽进行治疗、控制行业养殖规模以降低养殖密度等。因此，本文针对不同防疫手段及其可能的变动参数进行了分别设置，来表现不同防疫措施的不同实施状态。

针对病畜禽隔离与扑杀措施，本文以畜禽流动速度作为该措施实施力度的映射参数，该参数越高，代表隔离措施越弱，畜禽元胞在演进系统中的移动速度越快，病畜禽的病毒扩散概率也随之增大；另一方面本文以兽用疫苗接种比例和免疫概率来表现在预防疫病的疫苗接种措施中存在的两大控制参数，即主观参数-养殖户接种意愿和客观参数-疫苗有效防护率；再者以疾病治愈概率来表现兽用医疗技术的改进和科技下乡等措施带来的传染病治疗效果的改善，在演进系统中，当传染病发病病程到期时，将以该概率决定该只病畜禽痊愈存活或是死亡；最后，本文以初始畜禽总数和可养殖总量来表现特定畜禽行业的养殖密度与规模，并以初始感染比例来表现畜禽业传染病疫情报告制度的及时性给疫情防控带来的影响。

1.3 演化系统全局设定

本文以一个56×40的二维离散棋盘作为演进系统的整体环境，所有的畜禽元胞都位于该离散棋盘中的某个位置，并依照设定的速度进行移动，并且允许两个元胞存活在同一个棋格中，来代表畜禽间的密切接触[6]。

在演进过程中，每一个离散的轮次，每只畜禽的年龄增加1个单位，并且健康但未免疫畜禽元胞到达新的位置后，如遇上另一只患病畜禽，则健康畜禽将以设定的概率被感染，而对应的已免疫畜禽元胞将不会患病。当所有畜禽元胞总量还未超过设定的可养殖总量时，到达新位置并且寿命大于最长寿命20%的健康畜禽元胞将以设定的概率产生一只健康后代，并将其年龄设定为1。

对于患病的畜禽，每一个离散轮次，随着年龄增加的同时，其患病轮次也会增加1个单位，当传染病病程到达设定值时，该染病畜禽将以系统设定的概率痊愈，未痊愈的个体则立刻死亡。而对于健康和免疫的畜禽，其年龄到达最大年龄时，该畜禽也将死亡。

本文所设计的元胞系统包含了两个人工干预按钮，其中“突发疫情”按钮将按系统设定的比例使对应比例的畜禽染上传染病，表现疫情的暴发；而“疫苗接种”按钮将按系统设定的比例和免疫概率让对应比例的畜禽以一定概率变为免疫状态，该免疫状态将持续到该健康畜禽死亡为止，但是其产下的后代不会自动拥有免疫状态[7]。

综上所述本文的演进系统如图2所示：

图2 畜禽传染病防控元胞机系统示意图

2 元胞演进体系设计与结果分析

针对不同类型的畜禽养殖细分领域，本文以不同的系统参数组合进行映射，并通过元胞自动机系统的演进来观察不同畜禽养殖环境下，对比针对不同类型的传染性疾病防控策略的效果。

2.1 高致命长寿命少仔型系统

在长寿命少仔型畜禽品种如牛羊放牧业、生猪养殖业领域，高传染高致命性传染病例如非洲猪瘟、疯牛病对于产业运作的负面影响极大。因此本文设定95%的传染概率、5%的治愈率、10%的产仔概率、10周传染病病程、208周即4年的单体寿命，以该环境针对该类型传染病的管控措施仿真如图3所示，对其进行对比可以发现：

图3 高致命长寿命少仔型养殖业传染病疫情防控效果对比图

首先，在以牛羊为代表的长寿命少仔型养殖业，针对急性传染病最有效的管控措施就是以足够高的覆盖比例，为畜禽接种有效防护率较高的疫苗，从而形成有效的群体免疫，迅速隔断高致病、高传染性疾病的快速传播。在疫苗接种过程中，如果接种比例过低或是疫苗有效性不足，对传染病传播的控制并不能起到非常显著的效果，因此在国家动物疫苗强制免疫计划中，应当多关注该类疫苗的强制免疫推动工作，例如目前国家推行的口蹄疫、高致病性猪蓝耳病疫苗的强制接种便是这类疫病在我国得到有效控制的关键措施。

其次，经过仿真发现，建立有效的动物疫情汇报制度，从而在疫情暴发的早期阶段对传染病进行防控部署可以相对有效地控制该细分领域传染病的传播范围，从而降低其对养殖业的影响，但是该措施无法有效缩短传染病暴发的持续时间，因此对于养殖业正常秩序的回归起不到有效的积极作用。

再者，降低畜禽流动速度的隔离措施无法对该类型畜禽养殖业传染病疫情的传染规模起到有效的控制作用，但是对于疫情消退的速度可以起到一定的积极作用，因此对于病畜病禽的隔离在这种急性恶性传染病疫情暴发的情况下，只能起到辅助疫情、尽快平息的作用，但无法抵消疫情对产业发展带来的负面影响，必须搭配其他防控手段才能获得积极的防疫效果。

最后，随着我国养殖业规模化变革的逐渐深入，当养殖规模和总量上升时，恶性传染病疫情带来的损失也将十分巨大。从仿真结果可以发现，当环境可养殖总量提高50%后，由于畜禽基数较大，因此在相同条件下恶性传染病疫情呈现此起彼伏、绵延不绝的特点，无法自行消退，因此在未来我国养殖业规模不断扩大的情况下，防疫措施的有效实施对于该产业的有效发展是十分重要的。

2.2 低致命长寿命少仔型系统

以牛羊为代表的长寿命少仔型畜禽在养殖过程中往往也容易暴发一些高传染性但低致命性的传染病疫情，如牛肺疫、羊口疮等。这些低致命性传染病虽然不会导致畜禽死亡，但是往往会使经济用畜禽处在炎症、发热等不良健康状态下，对其经济价值带来不良影响，增加养殖户的成本负担。因此本文以95%的传染概率、50%的治愈率、10%的产仔概率、50周传染病病程、208周即4年的单体寿命作为低致命性传染病在该养殖细分领域的设定，并在初始轮便暴发疫情，以该演进系统对比不同的防疫手段。

观察演进系统的仿真结果可以发现，虽然低致命性传染病直接致死率较低，但是如果放任疫情发展，由于处在不健康状态的病畜病禽无法生育产仔，其对整个产业的总体产值负面影响依然是十分巨大的；同时由于病畜禽死亡率较低，其带毒状态将使病毒的传播存在庞大的基数，因此疫情往往无法简单地自行消亡。如图3所示，对比针对该类型传染病的防疫措施可以发现：

在长寿命少仔型畜禽养殖业中，对于低致命性的传染病，多数防疫手段对反复暴发的传染病的防治效果十分有限，包括及时的疫情报告制度、未能全面覆盖的疫苗接种都无法产生长期抑制疫情的效果。另一方面，虽然100%的疫苗接种可以产生最好的防疫效果，但是受限于养殖成本和养殖户的接种医院，该措施的可行性较低。再者，畜禽流动速度的降低虽然起到了部分抑制疫情的作用，并且也保障了产业经济产值的稳定，但是其对流通速度的限制往往会降低市场活跃度，给该产业带来负面影响。最后，养殖规模的大小并不影响低致命性传染病的暴发特征和传染模式。综上可知，对于低致命性传染病的防治，应当尽可能地推动治疗手段的升级，并且通过完善的兽用医疗体系的构建，提高传染病的治愈效果，这将是针对该类型疫情最有效的防控手段。

2.3 高致命短寿命多仔型系统

作为畜禽养殖品种中的重要组成部分，以鸡鸭为代表的短寿命多仔型畜禽养殖品种往往也存在一些高传染且高致命性的传染病，如高致病性禽流感、鸡马立克氏病等，这些传染病疫情的暴发往往会给养殖户带来极大的损失。因此本文以95%的传染概率、5%的治愈率、80%的产仔概率、10周传染病病程、26周即半年的单体寿命作为设定，以挖掘在该细分养殖领域，高致命性传染病防控策略的有效性，如图4所示。基于该演进结果可以发现，在鸡鸭为代表的短寿命多仔型畜禽养殖业发生高致死传染病的情况下，最有效的防疫应对策略包括及时的疫情报告制度和及时的扑杀与限制流通措施。在演进系统中，及时的疫情报告以降低疫情暴发时的初始感染比例，可以有效降低疫情的感染规模，从而降低养殖户的损失；而及时进行扑杀和流通限制，可以有效缩短疫情的流行周期，从而尽快扑灭疫情。

图4 低致命长寿命少仔型养殖业传染病疫情防控效果对比图

其次，在高致命疫情暴发时，短寿命型畜禽群体依靠接种疫苗形成群体免疫往往会由于畜禽代际更迭过快导致带毒群体还未扑灭时，免疫群体便已自然死亡，使免疫种群数跌破群体免疫的阈值线，无法形成有效的免疫效果。因此除非能做到100%全覆盖接种疫苗，否则疫苗防控措施无法在该情境下获得有效的防疫效果。

最后，可养殖总量上升时，可以发现演进过程中传染病疫情并不会自然消退，而是会处在一个微弱的平衡状态，因此在我国养殖业规模逐渐扩大的背景下，以鸡鸭为代表的短寿命多仔型养殖行业暴发高致命性传染病疫情时，不应当寄希望于其自然消退而放任其发展，应当采取强有力的防疫管控方能终止疫情。

2.4 低致命短寿命多仔型系统

在鸡鸭为代表的短寿命多仔型养殖业中，诸如禽伤寒、鸡腺病毒等高传染低致命性传染病疫情严重危害畜禽养殖行业。虽然这些传染病往往不会导致病畜禽死亡，但是被传染的畜禽往往会出现诸如体重下降、禽蛋产量下降、肉质变差等不良现象，因此需要以有效的防控措施对疫情加以抑制。

本文以95%的传染概率、50%的治愈率、80%的产仔概率、20周传染病病程、26周单体寿命作为低致命性传染病在短寿命多仔型畜禽群体传播情境的模拟，通过元胞自动机演进结果对比不同的防疫手段的防控效果，如图5所示。

图5 高致命短寿命多仔型养殖业传染病疫情防控效果对比图

基于该元胞自动机演进结果可以发现，在鸡鸭为代表的短寿命多仔型养殖业中，低致命性高传染率传染病属于较难有效控制的疫情，一旦暴发，最有效的防疫方式只有进行及时的隔离，有效降低市场流通速度，从而扑灭疫情。另一方面在成本可行的情况下，100%全覆盖接种疫苗也是防范该类传染病疫情的有效方法。再者，通过演进可以发现，针对该类传染病建立及时的报告制度以控制初始感染规模、使用更先进的兽用医疗体系以提高疾病治愈率并不能起到较好的防疫控制效果。最后，随着我国养殖规模的升级，该类传染病疫情一旦暴发将会感染更多的短寿命多仔型畜禽，并且其比例将高于健康畜禽，因此在该类疫情暴发时，不应当放任不管，而应该对其进行科学地管控。

图6 低致命短寿命多仔型养殖业传染病疫情防控效果对比图

3 元胞自动机演进结果总结及应用

基于本文所设计的四个不同类型的元胞自动机演进系统的分析结果可以发现，在不同类型的畜禽养殖业细分领域中，针对不同的高传染性疾病，不同防疫措施防疫的效果优劣存在一定的差异。

基于演进结果可以发现，以牛羊为代表的畜禽养殖品种由于寿命较长、产仔率相对较低，因此其世代更迭的养殖特征决定了在面对高致命性传染病疫情暴发的危机时，提前全面覆盖接种疫苗是最有效的管控方法，包括隔离扑杀、疫情及时上报等预警制度仅仅只能作为辅助的防控手段。而对于一些致命性较低的普通传染病，对病畜禽医治手段的升级、提高治愈率是最有效最经济的疫情控制方法。因此在该细分领域，推动有效的强制重疾疫苗接种制度、送医下乡提高轻微疾病畜禽治愈率是传染性疾病防控最有效的组合措施。

另一方面对于以鸡鸭为代表的养殖周期较短、产仔产蛋率较高的畜禽养殖品种，当其发生高致命性传染病疫情时，最有效的控制手段是结合疫情及时报告制度和及时扑杀隔离限制流通的组合防疫策略；而对于低致命性传染病，唯一经济有效的手段只有进行隔离扑杀，从而限制疫情传播。

综上所述，随着我国畜禽养殖业规模的不断扩大，各种类型传染病疫情的发生必然无法靠其自然消退而扑灭，因此结合不同的防疫控制手段，对疫情进行有效管控与扑杀是保证畜禽养殖业健康发展的必然途径。