Luận văn Mô phỏng sự lan truyền bệnh trên cá da trơn (Cá Tra)

Trung tâm Học liệu ĐH Cần Thơ @ Tài liệu học tập và nghiên cứu BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ LÊ THỊ DIỄM MÔ PHỎNG SỰ LAN TRUYỀN BỆNH TRÊN CÁ DA TRƠN (CÁ TRA) LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN Cần Thơ - 2009 Trung tâm Học liệu ĐH Cần Thơ @ Tài liệu học tập và nghiên cứu BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ LÊ THỊ DIỄM MÔ PHỎNG SỰ LAN TRUYỀN BỆNH TRÊN CÁ DA TRƠN (CÁ TRA) Chuyên ngành: Hệ Thống Thông Tin Mã số ngành: 604805 LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN Người hướng dẫn: Gs. Alexis Drogoul Ts. Huỳnh Xuân Hiệp Cần Thơ - 2009 Trung tâm Học liệu ĐH Cần Thơ @ Tài liệu học tập và nghiên cứu Trang i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam ñoan luận văn này ñược hoàn thành trên kết quả nghiên cứu của tôi. Các công việc nghiên cứu và nội dung thực hiện trong luận văn chưa từng ñược nộp ñể lấy bằng cấp từ một trường nào; ngoại trừ phần lý thuyết và các kết quả từ các công trình khác ñược ghi rõ trong phần tài liệu tham khảo của luận văn. Cần Thơ, ngày 22 tháng 12 năm 2009 Ký tên Lê Thị Diễm Trung tâm Học liệu ĐH Cần Thơ @ Tài liệu học tập và nghiên cứu Trang ii LỜI CẢM ƠN Trải qua hai năm học tập và làm việc, tôi ñã nhận ñược rất nhiều sự giúp ñỡ, ñộng viên từ các Thầy Cô, gia ñình và bạn bè. Để hoàn thành luận văn này, tôi xin chân thành cảm ơn: Gs. Alexis Drogoul, Viện nghiên cứu phát triển - Cộng Hòa Pháp (IRD), ñã truyền ñạt những kiến thức cũng như kinh nghiệm quí báu về mô hình hóa và mô phỏng hướng tác tử. Thầy ñã cung cấp tài liệu, tận tình hướng dẫn tôi trong từng bước xây dựng mô hình. Ts. Huỳnh Xuân Hiệp, Giảng viên Khoa Công Nghệ Thông Tin và Truyền Thông ñã tận tình hướng dẫn tôi trong suốt thời gian tôi thực hiện luận văn này. Thầy ñã cung cấp cho tôi không những tài liệu, kiến thức khoa học, ñọc góp ý, chỉnh sửa báo cáo mà còn truyền ñạt những kinh nghiệm quí báu của Thầy trong nghiên cứu ñể giúp tôi trong quá trình thực hiện luận văn. Ts. Lê Quyết Thắng, Trưởng Khoa Công Nghệ Thông Tin và Truyền Thông – chủ nhiệm ñề tài cấp nhà nước "Nghiên cứu xây dựng các hệ thống thông tin hỗ trợ việc phòng chống dịch bệnh cây trồng và thủy sản cho vùng kinh tế trọng ñiểm" (mã số: KC.01.15/06-10), ñã dành một chủ ñề trong ñề tài cho tôi nghiên cứu. Thầy cũng ñã ñọc và có nhiều góp ý thiết thực giúp tôi hoàn thành báo cáo này. Ts. Phạm Thanh Liêm, Ts Từ Thanh Dung và Cô Đặng Thụy Mai Thy, Giảng viên Khoa Thủy Sản, Trường Đại học Cần Thơ, ñã cung cấp, tư vấn nhiều kiến thức chuyên môn về Thủy sản, ñặc biệt các thông tin cá tra và bệnh trên cá tra. Các cán bộ và kỹ thuật viên tại sở Khuyến nông – Khuyến ngư, phòng nông nghiệp huyện Phú Tân, phòng nông nghiệp huyện Châu Phú, tỉnh An Giang ñã cung cấp thông tin về tình hình nuôi cá tra. Tôi cũng xin cảm ơn các hộ nuôi cá tra tại huyện Phú Tân và huyện Châu Phú ñã trả lời phỏng vấn. Cuối cùng tôi xin gửi lời cảm ơn ñến Ban Chủ Nhiệm Khoa Khoa Học Tự Nhiên, Thầy Cô Khoa Công Nghệ Thông Tin và Truyền Thông, các ñồng nghiệp trong Bộ Môn Tin Học, các bạn trong nhóm mô phỏng: Hồ Văn Tú, Trương Thị Thanh Tuyền, Phan Huy Cường và gia ñình ñã tạo ñiều kiện, ñộng viên và giúp ñỡ tôi rất nhiều ñể vượt qua những lúc gặp khó khăn trong quá trình học tập và làm việc. Học viên Lê Thị Diễm, MSHV 250706 Lớp Cao học Hệ thống thông tin K14 Trung tâm Học liệu ĐH Cần Thơ @ Tài liệu học tập và nghiên cứu Trang iii MỤC LỤC -----
 ----- LỜI CAM ĐOAN................................................................................................. i LỜI CẢM ƠN ....................................................................................................iii MỤC LỤC .........................................................................................................iii DANH MỤC HÌNH ............................................................................................v DANH MỤC BẢNG .........................................................................................vii DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT ...........................................................................viii ABSTRACT....................................................................................................... ix TÓM TẮT...........................................................................................................x Chương 1: GIỚI THIỆU..................................................................................... 1 1.1 Mở ñầu ......................................................................................................... 1 1.1.1 Đặt vấn ñề.................................................................................................. 1 1.1.2 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu .............................................................. 3 1.1.3 Ý nghĩa thực tiển của ñề tài nghiên cứu ..................................................... 4 1.1.4 Phương pháp nghiên cứu ........................................................................... 4 1.2 Các vấn ñề liên quan..................................................................................... 4 1.3 Các nội dung chính ....................................................................................... 5 Chương 2: MÔ PHỎNG ĐA TÁC TỬ ............................................................... 7 2.1 Mô hình hóa (modeling) ............................................................................... 7 2.1.1 Phân loại mô hình ...................................................................................... 7 2.1.2 Mô hình và mô hình hóa ............................................................................ 8 2.2 Mô phỏng (simulation) ................................................................................11 2.2.1 Khái niệm về mô phỏng............................................................................11 2.2.2 Môi trường (environment) ........................................................................12 2.2.3 Tác tử (agent) ...........................................................................................12 2.2.4 Hệ ña tác tử, mô phỏng hướng ña tác tử....................................................12 2.3 Hệ nền GAMA (GAMA platform)...............................................................13 2.3.1 Giới thiệu GAMA.....................................................................................13 2.3.2 Ngôn ngữ GAML .....................................................................................14 2.4 Mô hình ngăn (compartment model)............................................................15 Chương 3: MÔ HÌNH CÁ TRA.........................................................................17 3.1 Mô hình sinh trưởng của cá tra ....................................................................17 3.1.1 Đặc ñiểm sinh học của cá tra...............................................................................17 Trung tâm Học liệu ĐH Cần Thơ @ Tài liệu học tập và nghiên cứu Trang iv 3.1.2 Mô hình sinh trưởng ...........................................................................................17 3.1.3 Các mô hình nuôi cá .................................................................................18 3.2 Bệnh cá........................................................................................................21 3.2.1 Khái niệm bệnh cá ....................................................................................21 3.2.2 Vấn ñề lan truyền bệnh .............................................................................23 3.2.3 Bệnh gan thận mủ .....................................................................................24 Chương 4: XÂY DỰNG MÔ HÌNH LAN TRUYỀN BỆNH TRÊN CÁ TRA ............26 4.1 Khảo sát thu thập số liệu..............................................................................26 4.2 Mô hình lan truyền diện rộng.......................................................................27 4.2.1 Môi trường ...............................................................................................27 4.2.2 Tác tử (agent) ...........................................................................................32 4.2.2.1 Tác tử "nước" (water) ............................................................................ 32 4.2.2.2 Tác tử "ao" (pond) ................................................................................. 33 4.2.2.3 Tác tử "cá tra" (catfish) .......................................................................... 38 4.2.3 Mô hình quan hệ giữa các tác tử ...............................................................39 4.2.4 Mô hình lan truyền bệnh diện rộng ...........................................................41 4.3 Mô hình lan truyền bệnh diện hẹp................................................................48 4.3.1 Các thành phần trong mô hình ..................................................................48 4.3.2 Mô hình lan truyền bệ h trong ao nuôi .....................................................50 Chương 5: MÔ PHỎNG SỰ LAN TRUYỀN DỊCH BỆNH ..............................52 5.1 Giới thiệu gói mô phỏng lan truyền bệnh gan thận mủ trên cá tra ................52 5.2 Mô phỏng sự lan truyền dịch bệnh theo nguồn nước trên sông.....................54 5.2.1 Mô phỏng nước chảy trên sông.................................................................55 5.2.2 Mô phỏng sự lan truyền bệnh từ sông vào ao nuôi và ngược lại ................57 5.2.3 Mô phỏng sự lan truyền bệnh từ ao sang ao ..............................................59 5.3 Mô phỏng sự lan truyền dịch bệnh trong một ao ..........................................60 Chương 6: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM ...........................................................62 6.1 Chọn kịch bản mô phỏng.............................................................................62 6.2 Kịch bản 1: Mô phỏng sự lan truyền dịch bệnh trên diện rộng .....................62 6.3 Kịch bản 2: Mô phỏng sự lan truyền dịch bệnh trong ao ..............................71 Chương 7: KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ ..............................................................79 7.1 Kết quả ñạt ñược..........................................................................................79 7.2 Đề nghị........................................................................................................80 TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................. 81 PHỤ LỤC.......................................................................................................... 83 Trung tâm Học liệu ĐH Cần Thơ @ Tài liệu học tập và nghiên cứu Trang v DANH MỤC HÌNH -----
 ----- Hình 1.1: Biểu ñồ thống kê tình hình nuôi trồng thủy sản tại ĐBSCL[2] ................1 Hình 1.2: Minh họa tóm tắt các ñối tượng cần nghiên cứu ......................................3 Hình 2.1: Sơ ñồ phân loại mô hình .........................................................................7 Hình 2.2: Meta-model hướng tác tử ñược biểu diễn bằng UML[16] .......................9 Hình 2.3: Minh họa tóm tắt về mô hình [13].........................................................10 Hình 2.4: Biểu diễn một mô hình hướng tác tử [16]..............................................13 Hình 2.6: Cấu trúc của một tập tin GAML............................................................15 Hình 2.7: Mô hình ñơn giản một ngăn ..................................................................16 Hình 2.8: Mô hình ña ngăn ...................................................................................16 Hình 2.9: Mô hình ña ngăn thể hiện qua các ô nước .............................................16 Hình 3.1: Mô hình sinh trưởng của cá tra..............................................................17 Hình 3.2: Các mô hình nuôi cá tra ........................................................................18 Hình 3.3: Sơ ñồ tổng hợp các yếu tố ảnh hưởng ñến ao nuôi.................................20 Hình 3.5: Các nguyên nhân gây bệnh ở ĐBSCL ...................................................22 Hình 3.7: Các con ñường lan truyền bệnh truyền nhiễm .......................................23 Hình 3.8: Các thời kỳ phát triển của bệnh.............................................................24 Hình 4.1: Bản ñồ hành chính của huyện Phú Tân..................................................29 Hình 4.2: Môi trường cho mô hình ......................................................................30 Hình 4.3: Các loại cửa ao......................................................................................33 Hình 4.4: Sơ ñồ phân loại ao nuôi.........................................................................34 Hình 4.5: Sơ ñồ kế thừa giữa các loại ao...............................................................35 Hình 4.6: Sự phân hóa vi khuẩn trong ao ..............................................................35 Hình 4.7: Sơ ñồ mô tả quá trình chuyển trạng thái ao nuôi....................................37 Hình 4.8: Sơ ñồ mô tả quá trình chuyển trạng thái của tác tử cá............................39 Hình 4.9: Sơ ñồ kế thừa giữa các tác tử ................................................................40 Hình 4.10: Mô hình tương tác giữa các tác tử. ......................................................40 Hình 4.12: Sơ ñồ nước truyền ñi theo luật 1..........................................................42 Hình 4.13: Sơ ñồ nước nhận vào theo luật 2 .........................................................42 Hình 4.14: Ô nước hướng 0 và các vị trí lân cận...................................................43 Hình 4.15: Ô nước hướng 1 và các vị trí lân cận...................................................44 Hình 4.16: Mô hình nước lan truyền trên sông......................................................47 Hình 4.17: Mô hình lan truyền bệnh trên diện rộng...............................................48 Trung tâm Học liệu ĐH Cần Thơ @ Tài liệu học tập và nghiên cứu Trang vi Hình 4.18: Mô hình lan truyền trong ao nuôi ........................................................50 Hình 5.1: Sơ ñồ hệ thống mô phỏng lan truyền bệnh ............................................52 Hình 5.2: Form xác ñịnh trạng thái ao ban ñầu .....................................................53 Hình 5.3: Mô hình mô phỏng thể hiện trong GAML.............................................54 Hình 5.4: Lưu ñồ mô tả sự lan truyền bệnh trên diện rộng ....................................55 Hình 5.6: Lưu ñồ mô tả sự lan truyền bệnh từ sông vào ao và ngược lại ...............57 Hình 5.7: Lưu ñồ mô tả sự lan truyền bệnh trong ao .............................................60 Hình 6.1: Mô hình khởi tạo và một số tham số ñầu vào cho hệ thống ...................63 Hình 6.2: Hệ thống sau vài bước thực hiện ...........................................................65 Hình 6.3: Kết quả lan truyền sau hơn 3 ngày ........................................................66 Hình 6.4: Kết quả lan truyền bệnh sau hơn bốn ngày............................................67 Hình 6.5: Tình hình lan truyền bệnh sau sáu ngày.................................................68 Hình 6.6: Đồ thị biểu diễn sự biến ñổi theo thời gian của tổng diện tích ao theo trạng thái ...............................................................................................................68 Hình 6.7: Thống kê tổng diện tích theo trạng thái sau vài bước.............................69 Hình 6.8: Thống kê tổng diện tích theo trạng thái sau sáu ngày ............................70 Hình 6.9: Ảnh hưởng của thuốc trong lan truyền bệnh..........................................71 Hình 6.10: Mô hình ao nuôi ñã bị nhiễm bệnh ......................................................72 Hình 6.11: Biểu ñồ thống kế số lượng cá theo trạng thái ở bước ñầu ....................73 Hình 6.12: Tình hình lan truyền bệnh sau hơn nửa ngày .......................................74 Hình 6.13: Biểu ñồ thống kế số lượng cá theo trạng thái sau nửa ngày nhiễm bệnh.......74 Hình 6.14: Tình hình lan truyền bệnh sau hơn hai ngày ........................................75 Hình 6.15: Biểu ñồ thống kế số lượng cá theo trạng thái sau hai ngày nhiễm bệnh75 Hình 6.16: Tác dụng của thuốc ñến sự lan truyền dịch bệnh .................................76 Hình 6.17: Biểu ñồ thống kế số lượng cá theo trạng thái khi dùng thuốc...............76 Hình 6.18: Ao cá xảy ra dịch bệnh........................................................................77 Hình 6.19: Tình hình lan truyền bệnh sau hai ngày có dùng thuốc ........................78 Trung tâm Học liệu ĐH Cần Thơ @ Tài liệu học tập và nghiên cứu Trang vii DANH MỤC BẢNG -----
 ----- Bảng 3.1: Bảng mô tả về bệnh gan thận mủ ..........................................................25 Bảng 4.1: Bảng màu mô tả các thành phần của môi trường...................................30 Bảng 4.2: Bảng mô tả màu minh họa cho trạng thái của tác tử ..............................31 Bảng 6.1: Bảng màu biểu diễn trạng thái ao..........................................................64 Bảng 6.2: Thống kê diện tích ao theo trạng thái sau vài bước ...............................69 Bảng 6.3: Thống kê diện tích ao theo trạng thái sau 6 ngày ..................................70 Trung tâm Học liệu ĐH Cần Thơ @ Tài liệu học tập và nghiên cứu Trang viii DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT -----
 ----- ABM Agent - Based Modeling BOD Nhu cầu oxy hóa sinh học hay nhu cầu oxy sinh học (Biochemical hay Biological)/ BOD5 ở 200C DO Ôxi hòa tan (Dissolved oxygen) E.ictaluri Edwardsiella ictaluri GAMA GIS & Agent-based Modelling Architecture GAML GAMA Modeling Language GIS Geographic Information Systems UML Unified Modeling Language ĐBSCL Đồng bằng sông Cửu Long ĐVTS Động vật thủy sản Trung tâm Học liệu ĐH Cần Thơ @ Tài liệu học tập và nghiên cứu Trang ix ABSTRACT Modeling theory and agent-based simulation are applied in this thesis to build a model simulating how the propagation of catfish diseases works under physical, chemical, and bacterial conditions of fishponds and water flow in some areas in Mekong Delta, Vietnam. In particular, the model is built focusing on the disease of white spots on the internal organs of catfish in Phu Tan district, An Giang province. The model helps us to observe how environmental conditions affect the way the pathogen (bacteria) propagate along the river, from the river to fishponds and vice versa by adjusting the input arguments. We are also able to monitor how the disease propagates among individual fish in a single fishpond. The objective is to predict the infectious or healthy state of fishponds. The model's input arguments such as originally infectious state, temperature, pH value, and so on can be adjusted, i.e. different environmental conditions, to obtain different results. Trung tâm Học liệu ĐH Cần Thơ @ Tài liệu học tập và nghiên cứu Trang x TÓM TẮT Đề tài ứng dụng lý thuyết mô hình hóa và mô phỏng ña tác tử ñể xây dựng một mô hình lan truyền bệnh trên cá da trơn theo dòng nước trong những ñiều kiện thủy lý, thủy hóa và vi sinh của môi trường nuôi tại một số vùng ở ñồng bằng sông Cửu Long. Cụ thể mô hình ñược thí ñiểm với bệnh gan thận mủ (white spots on the internal organs) trên cá tra tại huyện Phú Tân, tỉnh An Giang. Trong mô hình này chúng ta có thể quan sát quá trình bệnh (vi khuẩn) lan truyền trên sông, bệnh lan truyền từ sông vào ao và ngược lại dưới tác ñộng của các ñiều kiện môi trường thông qua các tham số ñầu vào. Mục tiêu ñề tài nhằm dự báo tình trạng nhiễm bệnh và khỏi bệnh của các ao nuôi. Đồng thời chúng ta cũng quan sát ñược sự la