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(jìn)程的日益加快，近年來(lái)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(chǎng)所越來(lái)越多。一旦出現(xiàn)火災(zāi)等緊急情況，人員必須能及時(shí)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(huì)產(chǎn)生嚴(yán)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(jì)算機(jī)模擬[1]、可控實(shí)驗(yàn)[2]、現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)[3]等。研究緊急情況下人員疏散問(wèn)題僅采用可控實(shí)驗(yàn)或計(jì)算機(jī)模擬存在以下不足：一是實(shí)驗(yàn)?zāi)M的火災(zāi)環(huán)境和人員恐慌心理與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際差別較大；二是計(jì)算機(jī)模擬在模型構(gòu)建時(shí)進(jìn)行了一定的簡(jiǎn)化，導(dǎo)致模擬結(jié)果與現(xiàn)實(shí)情況有一定差異。近年來(lái)，一些學(xué)者開始采用動(dòng)物實(shí)驗(yàn)方法，即選擇一些社會(huì)性動(dòng)物如螞蟻、老鼠、鳥類等在一定條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)觀測(cè)，分析這些動(dòng)物的組織和行為特性，為解決人類社會(huì)的相關(guān)問(wèn)題提供了幫助[4-8]。本研究選用比較典型的社會(huì)性動(dòng)物螞蟻為研究對(duì)象，開展火災(zāi)條件下的螞蟻逃生行為實(shí)驗(yàn)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(huì)組織

螞蟻是典型的社會(huì)性動(dòng)物，它具備以下特點(diǎn)：一是巢穴中的成年個(gè)體幫助照顧幼年個(gè)體，二是不同個(gè)體存在不同分工。根據(jù)蟻群的社會(huì)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(fù)著覓食、筑巢、育幼和清潔等大部分工作；兵蟻主要負(fù)責(zé)保衛(wèi)工作；雄蟻負(fù)責(zé)繁殖后代[9-10]。

2 螞蟻的選取

螞蟻的種類很多，實(shí)驗(yàn)一般采用日本弓背蟻、切葉蟻等常見且無(wú)攻擊性的蟻種。日本弓背蟻軀體為黑色，蟻后體長(zhǎng)17 mm左右，工蟻體長(zhǎng)10 mm左右，廣泛分布于我國(guó)大部分地區(qū)，因?yàn)樽钤缡窃谌毡颈话l(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?zhàn)鳛閷?shí)驗(yàn)對(duì)象，螞蟻來(lái)自福建，用塑料管運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室，如圖1所示。實(shí)驗(yàn)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(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

3 實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)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(jì)制作了兩側(cè)布房雙出口的實(shí)驗(yàn)裝置。該實(shí)驗(yàn)裝置整體為一個(gè)長(zhǎng)30 cm、寬30 cm、高15 cm的長(zhǎng)方體，中間布置一條寬6 cm、兩端敞開的通道將實(shí)驗(yàn)裝置分隔為4個(gè)大小相同的小隔間，每個(gè)小隔間長(zhǎng)15 cm、寬12 cm、高15 cm，且均設(shè)有一個(gè)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(gè)透明活動(dòng)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(shí)驗(yàn)裝置見圖2。

圖1 實(shí)驗(yàn)用日本弓背蟻Fig.1 The camponotus japonics used in the experiment

圖2 實(shí)驗(yàn)裝置Fig.2 Diagram of experimental device

4 蟻群疏散行為實(shí)驗(yàn)

4.1 實(shí)驗(yàn)方法與內(nèi)容

為了模擬火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)，點(diǎn)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(shí)驗(yàn)裝置的4個(gè)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(shí)驗(yàn)時(shí)先在4個(gè)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(jī)記錄實(shí)驗(yàn)全過(guò)程，從螞蟻進(jìn)入隔間開始，到最后一只螞蟻從實(shí)驗(yàn)裝置中逃出后結(jié)束。實(shí)驗(yàn)重復(fù)兩次，每次均采用未使用過(guò)的螞蟻。實(shí)驗(yàn)后清潔實(shí)驗(yàn)裝置，避免對(duì)下次實(shí)驗(yàn)造成影響。

圖3 實(shí)驗(yàn)裝置隔間布置Fig.3 Layout of compartments of experimental equipment

表1 實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)過(guò)程觀察與分析

4.2.1放置螞蟻

先將4個(gè)隔間的門用紙條擋住，然后將實(shí)驗(yàn)螞蟻從隔間頂部分別放進(jìn)4個(gè)隔間中，每個(gè)隔間放入30只螞蟻。剛進(jìn)入隔間的蟻群立即分散開來(lái)，爬向隔間底面的各個(gè)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(gè)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(jìn)行信息交流的一種方式[6, 10]。經(jīng)過(guò)大約1 min，整個(gè)隔間的螞蟻完成信息交流，便聚成一團(tuán)靜止不動(dòng)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(shí)驗(yàn)過(guò)程觀察

1號(hào)隔間不放置環(huán)境變量。第一次實(shí)驗(yàn)：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(shí)，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(shí)驗(yàn)：螞蟻聚集的位置離隔間出口較遠(yuǎn)，當(dāng)隔間出口打開時(shí)，螞蟻沒有明顯反應(yīng)，直到2號(hào)隔間的煙氣通過(guò)兩個(gè)隔間頂部縫隙蔓延到1號(hào)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(gè)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(shí)驗(yàn)時(shí)快。

2號(hào)隔間放置點(diǎn)燃的煙卷和紙片，并用金屬圓盤盛放。第一次實(shí)驗(yàn)：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(gè)別螞蟻經(jīng)過(guò)探測(cè)后找到這個(gè)通道，隨后大部分螞蟻從這個(gè)通道逃生，還有幾只螞蟻越過(guò)圓盤逃生。第二次實(shí)驗(yàn)：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?gòu)母糸g出口逃生。

3號(hào)隔間放置點(diǎn)燃的煙卷，并用夾子支撐煙卷。第一次實(shí)驗(yàn)：螞蟻聚集在隔間出口旁隔墻中間部位，煙卷點(diǎn)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(kuò)散到整個(gè)隔間，螞蟻受到煙氣的刺激后開始尋找出口逃生。第二次實(shí)驗(yàn)：螞蟻聚集在隔間出口對(duì)面的角落處，和第一次實(shí)驗(yàn)時(shí)螞蟻的反應(yīng)基本相同。

4號(hào)隔間放置點(diǎn)燃的紙片，并用矩形金屬盤盛放。第一次實(shí)驗(yàn)：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(hào)隔間隔墻，紙片點(diǎn)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(shí)即開始分散并尋找出口逃生。第二次實(shí)驗(yàn)：大部分螞蟻聚集在隔間出口附近，和第一次實(shí)驗(yàn)時(shí)螞蟻的反應(yīng)基本相同。

4個(gè)隔間的螞蟻從各自隔間出口出來(lái)后，全部匯集到實(shí)驗(yàn)裝置中間的通道處。該通道有兩個(gè)出口，左側(cè)出口比右側(cè)出口距離隔間出口近。第一次實(shí)驗(yàn)：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(shí)驗(yàn)和第一次實(shí)驗(yàn)情況基本類似，僅有20只螞蟻從右側(cè)出口逃生。實(shí)驗(yàn)還觀察到一些螞蟻從通道進(jìn)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(shí)驗(yàn)過(guò)程見圖5，其中(a)、(b)、(c)和(d)分別為30 s、60 s、90 s和120 s時(shí)螞蟻逃生的情形。

圖5 實(shí)驗(yàn)過(guò)程Fig.5 Process of experiment

4.2.3分析與討論

(1)通過(guò)觀察發(fā)現(xiàn)，螞蟻在進(jìn)入新環(huán)境后，會(huì)對(duì)周圍環(huán)境進(jìn)行探查，然后通過(guò)觸碰等方式將信息傳遞到整個(gè)蟻群。這對(duì)人類疏散有所啟示，當(dāng)人們進(jìn)入不熟悉的環(huán)境時(shí)，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(duì)螞蟻的刺激作用不同，有少量煙氣時(shí)螞蟻沒有明顯的逃生行為，煙氣濃度達(dá)到一定程度時(shí)螞蟻開始出現(xiàn)逃生行為，煙氣濃度進(jìn)一步增大時(shí)，螞蟻會(huì)迷失方向，甚至死亡。另外，發(fā)現(xiàn)紙片點(diǎn)燃的煙氣比香煙點(diǎn)燃的煙氣對(duì)螞蟻的刺激更大。人類對(duì)煙氣的耐受能力有一定限度，應(yīng)在煙氣大量積聚和擴(kuò)散前采取自然或機(jī)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(gè)隔間中有1個(gè)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(gè)隔間后螞蟻才開始逃生。因此，為保障整個(gè)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(shí)，應(yīng)在確認(rèn)火災(zāi)后啟動(dòng)建筑物內(nèi)所有的火災(zāi)聲光警報(bào)器[11]，引導(dǎo)人員進(jìn)行疏散。

(4)對(duì)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(huì)探測(cè)其他途徑，并將信息傳遞給其他螞蟻。螞蟻的社會(huì)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(shí)應(yīng)急廣播自動(dòng)啟動(dòng)，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(dòng)識(shí)別，并通過(guò)應(yīng)急廣播和疏散指示標(biāo)志為人員疏散提供替代方案。

(5)螞蟻逃生時(shí)出現(xiàn)緊貼墻壁的現(xiàn)象，這與視線不良時(shí)人類的行為相似，故可以將疏散指示標(biāo)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(biāo)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(biāo)志中增加當(dāng)前位置與出口的實(shí)際距離，如逃生過(guò)程中，當(dāng)人們看到自己距離出口只有10 m或5 m時(shí)，可增強(qiáng)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(huì)性動(dòng)物，與人類有類似之處。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，螞蟻進(jìn)入新環(huán)境后對(duì)周圍進(jìn)行探查并將信息傳遞到整個(gè)蟻群；人們進(jìn)入不熟悉的建筑時(shí)，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(huì)探測(cè)其他通道，并將信息傳遞給其他螞蟻，這種社會(huì)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(biāo)志，以幫助人們逃生。

(3)螞蟻在逃生時(shí)出現(xiàn)沿隔間墻壁爬行的現(xiàn)象，與人類在光線不足時(shí)的行為類似，故疏散指示標(biāo)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(guò)大，以協(xié)助人們更快找到安全出口。