火災(zāi)條件下螞蟻逃生行為實驗

杜學(xué)勝

(河南工程學(xué)院 資源與安全工程學(xué)院，河南 鄭州451191)

隨著城市化進程的日益加快，近年來大量人口涌入城市，城市中出現(xiàn)了很多超高層建筑和超大體量公共建筑，人員密集場所越來越多。一旦出現(xiàn)火災(zāi)等緊急情況，人員必須能及時從建筑物內(nèi)疏散至安全區(qū)域，如果疏散通道被阻塞，可能會產(chǎn)生嚴重后果。

關(guān)于人員疏散方面的研究方法主要有構(gòu)建物理模型并采用計算機模擬[1]、可控實驗[2]、現(xiàn)場觀測[3]等。研究緊急情況下人員疏散問題僅采用可控實驗或計算機模擬存在以下不足：一是實驗?zāi)M的火災(zāi)環(huán)境和人員恐慌心理與現(xiàn)場實際差別較大；二是計算機模擬在模型構(gòu)建時進行了一定的簡化，導(dǎo)致模擬結(jié)果與現(xiàn)實情況有一定差異。近年來，一些學(xué)者開始采用動物實驗方法，即選擇一些社會性動物如螞蟻、老鼠、鳥類等在一定條件下進行實驗觀測，分析這些動物的組織和行為特性，為解決人類社會的相關(guān)問題提供了幫助[4-8]。本研究選用比較典型的社會性動物螞蟻為研究對象，開展火災(zāi)條件下的螞蟻逃生行為實驗觀察，分析螞蟻在緊急情況下的行為規(guī)律，以期為人類的安全疏散提供借鑒。

1 螞蟻的社會組織

螞蟻是典型的社會性動物，它具備以下特點：一是巢穴中的成年個體幫助照顧幼年個體，二是不同個體存在不同分工。根據(jù)蟻群的社會分工，蟻群可分為蟻后、工蟻、兵蟻和雄蟻。蟻后專司產(chǎn)卵，繁育后代；工蟻擔(dān)負著覓食、筑巢、育幼和清潔等大部分工作；兵蟻主要負責(zé)保衛(wèi)工作；雄蟻負責(zé)繁殖后代[9-10]。

2 螞蟻的選取

螞蟻的種類很多，實驗一般采用日本弓背蟻、切葉蟻等常見且無攻擊性的蟻種。日本弓背蟻軀體為黑色，蟻后體長17 mm左右，工蟻體長10 mm左右，廣泛分布于我國大部分地區(qū)，因為最早是在日本被發(fā)現(xiàn)的，所以命名為日本弓背蟻。本研究采用日本弓背蟻中的工蟻作為實驗對象，螞蟻來自福建，用塑料管運回實驗室，如圖1所示。實驗之前用蜂蜜和面包屑喂養(yǎng)螞蟻，并挑選活力較好的螞蟻進行實驗。

3 實驗裝置的設(shè)計與制作

為了觀察和分析螞蟻在不同火災(zāi)條件下的逃生行為，設(shè)計制作了兩側(cè)布房雙出口的實驗裝置。該實驗裝置整體為一個長30 cm、寬30 cm、高15 cm的長方體，中間布置一條寬6 cm、兩端敞開的通道將實驗裝置分隔為4個大小相同的小隔間，每個小隔間長15 cm、寬12 cm、高15 cm，且均設(shè)有一個寬4 cm、高15 cm的門。為便于放置和觀察螞蟻，裝置上方設(shè)置一個透明活動蓋板，蓋板僅覆蓋在裝置上，與裝置間沒有密封。裝置和蓋板的制作材料均為聚氯乙烯(PVC)，實驗裝置見圖2。

圖1 實驗用日本弓背蟻Fig.1 The camponotus japonics used in the experiment

圖2 實驗裝置Fig.2 Diagram of experimental device

4 蟻群疏散行為實驗

4.1 實驗方法與內(nèi)容

為了模擬火災(zāi)現(xiàn)場，點燃碎紙片和煙卷，制作火焰和煙氣，將火焰和煙氣作為火災(zāi)環(huán)境變量。實驗裝置的4個隔間分別放置不同的火災(zāi)環(huán)境變量，隔間布置如圖3所示，具體放置情況見表1。實驗時先在4個隔間放置一定數(shù)量的螞蟻，然后放置火災(zāi)環(huán)境變量。采用攝像機記錄實驗全過程，從螞蟻進入隔間開始，到最后一只螞蟻從實驗裝置中逃出后結(jié)束。實驗重復(fù)兩次，每次均采用未使用過的螞蟻。實驗后清潔實驗裝置，避免對下次實驗造成影響。

圖3 實驗裝置隔間布置Fig.3 Layout of compartments of experimental equipment

表1 實驗裝置隔間火災(zāi)環(huán)境變量放置情況Tab.1 The fire environment variables placement in the compartment of the experimental device

4.2 實驗過程觀察與分析

4.2.1放置螞蟻

先將4個隔間的門用紙條擋住，然后將實驗螞蟻從隔間頂部分別放進4個隔間中，每個隔間放入30只螞蟻。剛進入隔間的蟻群立即分散開來，爬向隔間底面的各個區(qū)域，當(dāng)螞蟻碰到隔間墻面后，有的螞蟻沿著墻水平方向爬行，有的螞蟻原路返回，還有個別螞蟻沿著墻向上爬，其間可觀察到螞蟻有兩兩觸碰的行為，這可能是螞蟻進行信息交流的一種方式[6, 10]。經(jīng)過大約1 min，整個隔間的螞蟻完成信息交流，便聚成一團靜止不動了，如圖4所示。

圖4 螞蟻在隔間內(nèi)聚在一起Fig.4 The ants clustered together in the compartment

4.2.2實驗過程觀察

1號隔間不放置環(huán)境變量。第一次實驗：打開隔間出口的紙片后，由于螞蟻聚集在隔間出口附近，當(dāng)出口打開時，大部分螞蟻立即爬向隔間出口，但有一只螞蟻選擇向隔間內(nèi)部爬，當(dāng)它碰到隔間墻面后，轉(zhuǎn)向爬出隔間出口。隔間內(nèi)的螞蟻在受到煙氣影響前均爬到隔間外的通道。第二次實驗：螞蟻聚集的位置離隔間出口較遠，當(dāng)隔間出口打開時，螞蟻沒有明顯反應(yīng)，直到2號隔間的煙氣通過兩個隔間頂部縫隙蔓延到1號隔間后才開始尋找出口逃生。一些螞蟻由于受到煙氣的刺激作用迷失了方向，沒有直接向出口逃生，而是爬向隔間的各個位置，最后陸續(xù)爬出隔間出口。另外，可能是受到煙氣的刺激作用，螞蟻爬行的速度比第一次實驗時快。

2號隔間放置點燃的煙卷和紙片，并用金屬圓盤盛放。第一次實驗：螞蟻聚集在隔間內(nèi)側(cè)，金屬圓盤位于隔間出口和螞蟻之間，只留下一條通道通向隔間出口。聚集的螞蟻受到煙氣的刺激后迅速分散開，個別螞蟻經(jīng)過探測后找到這個通道，隨后大部分螞蟻從這個通道逃生，還有幾只螞蟻越過圓盤逃生。第二次實驗：螞蟻聚集在隔間出口附近，金屬圓盤位于隔間內(nèi)側(cè)，沒有阻礙螞蟻的逃生通道，聚集的螞蟻受到煙氣的刺激后迅速從隔間出口逃生。

3號隔間放置點燃的煙卷，并用夾子支撐煙卷。第一次實驗：螞蟻聚集在隔間出口旁隔墻中間部位，煙卷點燃后，由于裝置蓋子沒有蓋上，煙氣沒有聚集，螞蟻沒有明顯的反應(yīng)；裝置蓋子被蓋上后，煙氣先聚集到隔間頂部，然后逐漸擴散到整個隔間，螞蟻受到煙氣的刺激后開始尋找出口逃生。第二次實驗：螞蟻聚集在隔間出口對面的角落處，和第一次實驗時螞蟻的反應(yīng)基本相同。

4號隔間放置點燃的紙片，并用矩形金屬盤盛放。第一次實驗：螞蟻在隔間不同位置聚集成兩堆，一群螞蟻在隔間出口附近，另一群聚集在隔間內(nèi)側(cè)靠近3號隔間隔墻，紙片點燃后出現(xiàn)較大的火焰，螞蟻感受到火焰的溫度，在未打開隔間出口時即開始分散并尋找出口逃生。第二次實驗：大部分螞蟻聚集在隔間出口附近，和第一次實驗時螞蟻的反應(yīng)基本相同。

4個隔間的螞蟻從各自隔間出口出來后，全部匯集到實驗裝置中間的通道處。該通道有兩個出口，左側(cè)出口比右側(cè)出口距離隔間出口近。第一次實驗：大部分螞蟻選擇從左側(cè)出口逃生，僅有17只螞蟻選擇從右側(cè)出口逃生。第二次實驗和第一次實驗情況基本類似，僅有20只螞蟻從右側(cè)出口逃生。實驗還觀察到一些螞蟻從通道進入隔間，在與隔間內(nèi)向外逃生的螞蟻觸碰后，這些螞蟻重新返回通道。實驗過程見圖5，其中(a)、(b)、(c)和(d)分別為30 s、60 s、90 s和120 s時螞蟻逃生的情形。

圖5 實驗過程Fig.5 Process of experiment

4.2.3分析與討論

(1)通過觀察發(fā)現(xiàn)，螞蟻在進入新環(huán)境后，會對周圍環(huán)境進行探查，然后通過觸碰等方式將信息傳遞到整個蟻群。這對人類疏散有所啟示，當(dāng)人們進入不熟悉的環(huán)境時，應(yīng)首先尋找疏散通道、安全出口，并將這些信息傳遞給同伴，以確保緊急情況下安全逃生。

(2)不同濃度的煙氣對螞蟻的刺激作用不同，有少量煙氣時螞蟻沒有明顯的逃生行為，煙氣濃度達到一定程度時螞蟻開始出現(xiàn)逃生行為，煙氣濃度進一步增大時，螞蟻會迷失方向，甚至死亡。另外，發(fā)現(xiàn)紙片點燃的煙氣比香煙點燃的煙氣對螞蟻的刺激更大。人類對煙氣的耐受能力有一定限度，應(yīng)在煙氣大量積聚和擴散前采取自然或機械的方式將室內(nèi)的煙氣排出，為疏散創(chuàng)造良好的條件。

(3)4個隔間中有1個隔間沒有放置火災(zāi)環(huán)境變量，當(dāng)其他隔間產(chǎn)生的煙氣蔓延到這個隔間后螞蟻才開始逃生。因此，為保障整個建筑物內(nèi)所有人員的安全，當(dāng)建筑物內(nèi)某一區(qū)域發(fā)生火災(zāi)時，應(yīng)在確認火災(zāi)后啟動建筑物內(nèi)所有的火災(zāi)聲光警報器[11]，引導(dǎo)人員進行疏散。

(4)對于出口的選擇，螞蟻偏向于選擇最近的出口，如果逃生通道被阻塞，螞蟻會探測其他途徑，并將信息傳遞給其他螞蟻。螞蟻的社會屬性和信息傳遞方式可提升蟻群的逃生效率。因此，建筑物內(nèi)應(yīng)設(shè)置消防應(yīng)急廣播，火災(zāi)發(fā)生時應(yīng)急廣播自動啟動，提醒人員按要求有序疏散。隨著智慧消防的不斷發(fā)展和完善，出口阻塞的情況也可被自動識別，并通過應(yīng)急廣播和疏散指示標志為人員疏散提供替代方案。

(5)螞蟻逃生時出現(xiàn)緊貼墻壁的現(xiàn)象，這與視線不良時人類的行為相似，故可以將疏散指示標志設(shè)置在墻邊距地面較近的位置，以幫助沿著墻邊逃生的人更快找到安全出口。目前建筑物內(nèi)疏散指示標志只指示方向或位置，而沒有指示此處與出口距離，建議在疏散指示方向標志中增加當(dāng)前位置與出口的實際距離，如逃生過程中，當(dāng)人們看到自己距離出口只有10 m或5 m時，可增強安全逃生的信心并減少恐慌。

5 結(jié)論

(1)螞蟻是典型的社會性動物，與人類有類似之處。實驗發(fā)現(xiàn)，螞蟻進入新環(huán)境后對周圍進行探查并將信息傳遞到整個蟻群；人們進入不熟悉的建筑時，應(yīng)首先熟悉疏散通道和安全出口，并將這些信息傳遞給同伴，以確保緊急情況下能安全逃生。

(2)螞蟻偏向于選擇最近的出口，如果最近的逃生通道阻塞，螞蟻會探測其他通道，并將信息傳遞給其他螞蟻，這種社會屬性和信息傳遞方式有助于提升蟻群的逃生效率。建筑物內(nèi)應(yīng)設(shè)有應(yīng)急廣播與指示標志，以幫助人們逃生。

(3)螞蟻在逃生時出現(xiàn)沿隔間墻壁爬行的現(xiàn)象，與人類在光線不足時的行為類似，故疏散指示標志應(yīng)設(shè)置在墻邊距地面1 m以下的位置且間距不應(yīng)過大，以協(xié)助人們更快找到安全出口。