中国口蹄疫传播动力学建模及防控措施研究

Foot and mouth disease is the most serious infectious disease in world to harm cloven-hoofed animals. There are some distinct characteristics in its spread and control in our country: the main transmission path of the epidemic is animal dispatching; the control mode is to cull all livestock in farms as epidemic focus. Accordingly, traditional dynamical models that regard individual contacts with the infected animals as transmission passage are no longer adapt to the study of foot and mouth disease transmission in China, and new idea of modeling is needed. Therefore, breaking through traditional modeling thought, combining with the market price and antibodies titer of livestock, and considering the farms (households) as research subjects, livestock dispatching as transmission path, this project establishes autonomous dynamical model, nonautonomous dynamical model, and patch dynamical model with new incidence rate and new immune loss rate, respectively. Besides, this project is to study the model dynamical behaviors, including the existence and stability of equilibria and periodic solutions, and possible branching behavior, and to discuss the effects of transmission threshold of the epidemic and linkage mechanism among plaques on the stability of systems. Moreover, combining with historical foci data and laboratory test data of antibody, statistics is applied to estimate parameter values, to implement sensitivity analysis, and to predict epidemic trend in China. Economics is applied to calculate cost-benefit of prevention and control measures, and to give optimal decision scheme. This topic will extend modeling approach and theoretical research of the infectious disease dynamics, deepen the combination of the dynamic, statistics and economics method, and provide a theoretical basis for the establishment of national policy.

口蹄疫是世界上危害偶蹄动物的头号传染病。在我国其传播与控制具有鲜明特点：传播途径以动物调运为主，控制方式是对家畜疫点全场（户）群扑杀。据此，传统的以染病个体接触作为传染途径建立的动力学模型已不再适应于中国口蹄疫传播研究，需要新的建模思路。为此，本课题突破传统的建模思想，以养殖场（户）作为研究个体，家畜调运作为传播途径，结合家畜市场价格因素和体内抗体消长规律，分别建立带有新型发生率和新型免疫失效率的自治与非自治动力学模型、斑块动力学模型；研究这些模型平衡点、周期解的存在性和稳定性及可能的分支等动力学行为，研究疫病传播阈值及斑块联动机制对系统稳定性的影响；结合疫点数据和抗体检测数据，利用统计学估计模型参数，实施敏感性分析，预测流行趋势；利用经济学计算防控措施成本效益，给出最优决策方案。本课题将扩展传染病动力学的建模及理论研究，加深动力学、统计学和经济学方法的结合，为国家政策的制定提供理论依据。

“全球畜牧产业头号杀手”之称的口蹄疫属烈性偶蹄类传染性动物疫病，其发生和传播除了给国家、畜牧业发展、养殖场/户等带来了巨大的经济损失，也给社会经济稳步发展、民族和谐稳定带来一定的隐患。于是本项目从不同的建模思路，结合动力学、统计学和经济学方法，分别以家畜、养殖场为不同的研究个体，以环境传播、个体接触、家畜调运为不同的主要传播途径，建立动力学模型，研究中国养殖场内、养殖场间口蹄疫传播风险，为国家政策的制定提供理论依据。. 在项目执行期间（2017.01-2019.12），围绕申请书提出的研究计划与内容，深入开展了口蹄疫数据搜集与整理、模型构建、数值模拟、理论分析、模型推广与应用等研究工作，实现了预期目标。主要包括：（1）以家畜为研究个体，个体接触与环境传播为主要传播途径，建立切换动力学模型，研究口蹄疫三种毒株在个体间传播风险；依据动力学模型结果，结合成本分析，通过计算免疫、检测、扑杀等措施的成本费用，给出不同措施下、以及不同检测率下的经济花费。（2）依据口蹄疫传播机制，考虑家畜与环境中病毒的双向作用，建立更为一般的带有环境病毒影响的切换模型，进行动力学分析、分支研究和数值模拟，挖掘病毒内在传播机制，给出基本再生数表达式，划分参数空间。（3）将口蹄疫动力学模型应用到禽流感等疫病研究中，评估病毒变异、温度、调运、出栏等因素对疫情传播的影响，为此类传染病传播防控提供理论依据。本课题建模思想将扩展传染病动力学建模方法及理论研究，深动力学、统计学和经济学方法的结合，其风险预警和疫情评估对动物养殖规模的合理调配，国家政策的制定提供理论依据。. 在研究成果、人才培养和学术交流等方面，均实现了预期目标。本项目在Journal of Theoretical Biology, Journal of Mathematical Biology, Applied Mathematics and Computation, Chaos, Solitons and Fractals等国内外期刊发表学术论文9篇, 其中SCI收录5篇。在生物数学方面，项目组负责人晋升副教授，培养硕士研究生3名，其中一名继续攻读博士学位。