火灾条件下蚂蚁逃生行为实验

杜学胜

(河南工程学院 资源与安全工程学院，河南 郑州451191)

随着城市化进程的日益加快，近年来大量人口涌入城市，城市中出现了很多超高层建筑和超大体量公共建筑，人员密集场所越来越多。一旦出现火灾等紧急情况，人员必须能及时从建筑物内疏散至安全区域，如果疏散通道被阻塞，可能会产生严重后果。

关于人员疏散方面的研究方法主要有构建物理模型并采用计算机模拟[1]、可控实验[2]、现场观测[3]等。研究紧急情况下人员疏散问题仅采用可控实验或计算机模拟存在以下不足：一是实验模拟的火灾环境和人员恐慌心理与现场实际差别较大；二是计算机模拟在模型构建时进行了一定的简化，导致模拟结果与现实情况有一定差异。近年来，一些学者开始采用动物实验方法，即选择一些社会性动物如蚂蚁、老鼠、鸟类等在一定条件下进行实验观测，分析这些动物的组织和行为特性，为解决人类社会的相关问题提供了帮助[4-8]。本研究选用比较典型的社会性动物蚂蚁为研究对象，开展火灾条件下的蚂蚁逃生行为实验观察，分析蚂蚁在紧急情况下的行为规律，以期为人类的安全疏散提供借鉴。

1 蚂蚁的社会组织

蚂蚁是典型的社会性动物，它具备以下特点：一是巢穴中的成年个体帮助照顾幼年个体，二是不同个体存在不同分工。根据蚁群的社会分工，蚁群可分为蚁后、工蚁、兵蚁和雄蚁。蚁后专司产卵，繁育后代；工蚁担负着觅食、筑巢、育幼和清洁等大部分工作；兵蚁主要负责保卫工作；雄蚁负责繁殖后代[9-10]。

2 蚂蚁的选取

蚂蚁的种类很多，实验一般采用日本弓背蚁、切叶蚁等常见且无攻击性的蚁种。日本弓背蚁躯体为黑色，蚁后体长17 mm左右，工蚁体长10 mm左右，广泛分布于我国大部分地区，因为最早是在日本被发现的，所以命名为日本弓背蚁。本研究采用日本弓背蚁中的工蚁作为实验对象，蚂蚁来自福建，用塑料管运回实验室，如图1所示。实验之前用蜂蜜和面包屑喂养蚂蚁，并挑选活力较好的蚂蚁进行实验。

3 实验装置的设计与制作

为了观察和分析蚂蚁在不同火灾条件下的逃生行为，设计制作了两侧布房双出口的实验装置。该实验装置整体为一个长30 cm、宽30 cm、高15 cm的长方体，中间布置一条宽6 cm、两端敞开的通道将实验装置分隔为4个大小相同的小隔间，每个小隔间长15 cm、宽12 cm、高15 cm，且均设有一个宽4 cm、高15 cm的门。为便于放置和观察蚂蚁，装置上方设置一个透明活动盖板，盖板仅覆盖在装置上，与装置间没有密封。装置和盖板的制作材料均为聚氯乙烯(PVC)，实验装置见图2。

图1 实验用日本弓背蚁Fig.1 The camponotus japonics used in the experiment

图2 实验装置Fig.2 Diagram of experimental device

4 蚁群疏散行为实验

4.1 实验方法与内容

为了模拟火灾现场，点燃碎纸片和烟卷，制作火焰和烟气，将火焰和烟气作为火灾环境变量。实验装置的4个隔间分别放置不同的火灾环境变量，隔间布置如图3所示，具体放置情况见表1。实验时先在4个隔间放置一定数量的蚂蚁，然后放置火灾环境变量。采用摄像机记录实验全过程，从蚂蚁进入隔间开始，到最后一只蚂蚁从实验装置中逃出后结束。实验重复两次，每次均采用未使用过的蚂蚁。实验后清洁实验装置，避免对下次实验造成影响。

图3 实验装置隔间布置Fig.3 Layout of compartments of experimental equipment

表1 实验装置隔间火灾环境变量放置情况Tab.1 The fire environment variables placement in the compartment of the experimental device

4.2 实验过程观察与分析

4.2.1放置蚂蚁

先将4个隔间的门用纸条挡住，然后将实验蚂蚁从隔间顶部分别放进4个隔间中，每个隔间放入30只蚂蚁。刚进入隔间的蚁群立即分散开来，爬向隔间底面的各个区域，当蚂蚁碰到隔间墙面后，有的蚂蚁沿着墙水平方向爬行，有的蚂蚁原路返回，还有个别蚂蚁沿着墙向上爬，其间可观察到蚂蚁有两两触碰的行为，这可能是蚂蚁进行信息交流的一种方式[6, 10]。经过大约1 min，整个隔间的蚂蚁完成信息交流，便聚成一团静止不动了，如图4所示。

图4 蚂蚁在隔间内聚在一起Fig.4 The ants clustered together in the compartment

4.2.2实验过程观察

1号隔间不放置环境变量。第一次实验：打开隔间出口的纸片后，由于蚂蚁聚集在隔间出口附近，当出口打开时，大部分蚂蚁立即爬向隔间出口，但有一只蚂蚁选择向隔间内部爬，当它碰到隔间墙面后，转向爬出隔间出口。隔间内的蚂蚁在受到烟气影响前均爬到隔间外的通道。第二次实验：蚂蚁聚集的位置离隔间出口较远，当隔间出口打开时，蚂蚁没有明显反应，直到2号隔间的烟气通过两个隔间顶部缝隙蔓延到1号隔间后才开始寻找出口逃生。一些蚂蚁由于受到烟气的刺激作用迷失了方向，没有直接向出口逃生，而是爬向隔间的各个位置，最后陆续爬出隔间出口。另外，可能是受到烟气的刺激作用，蚂蚁爬行的速度比第一次实验时快。

2号隔间放置点燃的烟卷和纸片，并用金属圆盘盛放。第一次实验：蚂蚁聚集在隔间内侧，金属圆盘位于隔间出口和蚂蚁之间，只留下一条通道通向隔间出口。聚集的蚂蚁受到烟气的刺激后迅速分散开，个别蚂蚁经过探测后找到这个通道，随后大部分蚂蚁从这个通道逃生，还有几只蚂蚁越过圆盘逃生。第二次实验：蚂蚁聚集在隔间出口附近，金属圆盘位于隔间内侧，没有阻碍蚂蚁的逃生通道，聚集的蚂蚁受到烟气的刺激后迅速从隔间出口逃生。

3号隔间放置点燃的烟卷，并用夹子支撑烟卷。第一次实验：蚂蚁聚集在隔间出口旁隔墙中间部位，烟卷点燃后，由于装置盖子没有盖上，烟气没有聚集，蚂蚁没有明显的反应；装置盖子被盖上后，烟气先聚集到隔间顶部，然后逐渐扩散到整个隔间，蚂蚁受到烟气的刺激后开始寻找出口逃生。第二次实验：蚂蚁聚集在隔间出口对面的角落处，和第一次实验时蚂蚁的反应基本相同。

4号隔间放置点燃的纸片，并用矩形金属盘盛放。第一次实验：蚂蚁在隔间不同位置聚集成两堆，一群蚂蚁在隔间出口附近，另一群聚集在隔间内侧靠近3号隔间隔墙，纸片点燃后出现较大的火焰，蚂蚁感受到火焰的温度，在未打开隔间出口时即开始分散并寻找出口逃生。第二次实验：大部分蚂蚁聚集在隔间出口附近，和第一次实验时蚂蚁的反应基本相同。

4个隔间的蚂蚁从各自隔间出口出来后，全部汇集到实验装置中间的通道处。该通道有两个出口，左侧出口比右侧出口距离隔间出口近。第一次实验：大部分蚂蚁选择从左侧出口逃生，仅有17只蚂蚁选择从右侧出口逃生。第二次实验和第一次实验情况基本类似，仅有20只蚂蚁从右侧出口逃生。实验还观察到一些蚂蚁从通道进入隔间，在与隔间内向外逃生的蚂蚁触碰后，这些蚂蚁重新返回通道。实验过程见图5，其中(a)、(b)、(c)和(d)分别为30 s、60 s、90 s和120 s时蚂蚁逃生的情形。

图5 实验过程Fig.5 Process of experiment

4.2.3分析与讨论

(1)通过观察发现，蚂蚁在进入新环境后，会对周围环境进行探查，然后通过触碰等方式将信息传递到整个蚁群。这对人类疏散有所启示，当人们进入不熟悉的环境时，应首先寻找疏散通道、安全出口，并将这些信息传递给同伴，以确保紧急情况下安全逃生。

(2)不同浓度的烟气对蚂蚁的刺激作用不同，有少量烟气时蚂蚁没有明显的逃生行为，烟气浓度达到一定程度时蚂蚁开始出现逃生行为，烟气浓度进一步增大时，蚂蚁会迷失方向，甚至死亡。另外，发现纸片点燃的烟气比香烟点燃的烟气对蚂蚁的刺激更大。人类对烟气的耐受能力有一定限度，应在烟气大量积聚和扩散前采取自然或机械的方式将室内的烟气排出，为疏散创造良好的条件。

(3)4个隔间中有1个隔间没有放置火灾环境变量，当其他隔间产生的烟气蔓延到这个隔间后蚂蚁才开始逃生。因此，为保障整个建筑物内所有人员的安全，当建筑物内某一区域发生火灾时，应在确认火灾后启动建筑物内所有的火灾声光警报器[11]，引导人员进行疏散。

(4)对于出口的选择，蚂蚁偏向于选择最近的出口，如果逃生通道被阻塞，蚂蚁会探测其他途径，并将信息传递给其他蚂蚁。蚂蚁的社会属性和信息传递方式可提升蚁群的逃生效率。因此，建筑物内应设置消防应急广播，火灾发生时应急广播自动启动，提醒人员按要求有序疏散。随着智慧消防的不断发展和完善，出口阻塞的情况也可被自动识别，并通过应急广播和疏散指示标志为人员疏散提供替代方案。

(5)蚂蚁逃生时出现紧贴墙壁的现象，这与视线不良时人类的行为相似，故可以将疏散指示标志设置在墙边距地面较近的位置，以帮助沿着墙边逃生的人更快找到安全出口。目前建筑物内疏散指示标志只指示方向或位置，而没有指示此处与出口距离，建议在疏散指示方向标志中增加当前位置与出口的实际距离，如逃生过程中，当人们看到自己距离出口只有10 m或5 m时，可增强安全逃生的信心并减少恐慌。

5 结论

(1)蚂蚁是典型的社会性动物，与人类有类似之处。实验发现，蚂蚁进入新环境后对周围进行探查并将信息传递到整个蚁群；人们进入不熟悉的建筑时，应首先熟悉疏散通道和安全出口，并将这些信息传递给同伴，以确保紧急情况下能安全逃生。

(2)蚂蚁偏向于选择最近的出口，如果最近的逃生通道阻塞，蚂蚁会探测其他通道，并将信息传递给其他蚂蚁，这种社会属性和信息传递方式有助于提升蚁群的逃生效率。建筑物内应设有应急广播与指示标志，以帮助人们逃生。

(3)蚂蚁在逃生时出现沿隔间墙壁爬行的现象，与人类在光线不足时的行为类似，故疏散指示标志应设置在墙边距地面1 m以下的位置且间距不应过大，以协助人们更快找到安全出口。