本发明公开了一种学生接送辅助系统，包括：第一、二移动终端、位置信息采集模块、速度信息采集模块、车流量采集模块、统计分析模块、数据存储模块和接送路径计算模块；所述位置信息采集模块采集通学学生和用户家长接驳车位置，所述速度信息采集模块采集通学学生和用户家长接驳车的速度，车流量采集模块采集系统工作范围内各道路的车流量，所述统计分析模块计算通学时间段学校影响区内的道路阻抗函数，所述接送路径计算模块根据阻抗函数，确定学生和家长的最优接送路径，所述数据储存模块对各种静态数据进行存储。本发明从家长和学生双方面共同行动，在保障学生通学期间安全的前提下缓解学校周边的交通压力。
1.一种学生接送辅助系统，其特征在于，该系统以学校的学区覆盖范围和以学校为圆心，2km为半径的范围作为工作范围；该系统包括：第一、二移动终端、采集系统和信息处理系统；所述采集系统包括位置信息采集模块、速度信息采集模块和车流量采集模块，所述信息处理系统包括统计分析模块、数据存储模块和接送路径计算模块；
家长在第一移动终端中输入学校要求学生达到的时间t1，以及学生放学的时间t2，所述第一移动终端将t1，t2传送至数据存储模块，学生在第二移动终端中设置可接受的步行时间t3；位置信息采集模块实时采集学生的位置和家长接驳车的位置，并将采集到的信息传送至数据存储模块，所述数据存储模块将收到的位置信息实时发送至第一、二移动终端中显示；速度信息采集模块实时采集学生的步行速度和家长接驳车的速度，并将采集到的速度信息传送至数据存储模块；所述车流量采集模块实时采集系统工作范围内所有道路上的车流量，并将该数据传送至数据存储模块；所述统计分析模块根据数据存储模块中每条道路上的车流量、t1、t2计算每条道路的阻抗函数，并将每条道路的阻抗函数传送至数据存储模块中；
当学生放学后，接送路径计算模块根据数据存储模块中的每条道路的阻抗函数、学生可接受的步行时间t3、学校的位置、家长接驳车的位置、学生的步行速度和家长接驳车的速度，计算出学生和家长的接汇点，并将该接汇点发送到第一、二移动终端显示；将学生从学校到接汇点之间过马路次数小于等于1的路径作为学生的最优路径，并发送至第二移动终端中显示，将家长接驳车与接汇点之间行驶时间最短的路径作为家长接驳车的最优路径，并发送至第一移动终端显示；当学生上学时，当接驳车进入系统的工作范围内时，接送路径计算模块根据此时每条道路的阻抗函数、家长接驳车的位置、学生可接受的步行时间t3和学校的位置，计算出学生和家长的分离点，并将该分离点发送到第一、二移动终端显示；将学生从分离点到学校之间过马路次数小于等于1的路径作为学生的最优路径，并发送至第二移动终端中显示，将家长接驳车与接汇点之间行驶时间最短的路径作为家长接驳车的最优路径，并发送至第一移动终端显示。
2.根据权利要求1所述的一种学生接送辅助系统，其特征在于，所述统计分析模块计算阻抗函数具体为：
式中， 为a路段在时间T时的车流量，为家长接驳车在时间T时行驶通过a路段所需要的行驶时间，sa为空间修正因子，sT为时间修正因子，为家长接驳车按自由流速度通过a路段所需要的行驶时间，Ca为a路段的实际通行能力，α、β为系数；
其中，α0为学校距离影响系数，xa为道路a的中心点与学校之间的最短距离；
式中：α1为放学通学流扩散影响系数；At2+Bt+C为描述放学通学时系统工作范围内所有道路拥挤程度的二次函数，A、B、C为系数；上学时，t＝t1-T1，其中T1为上学时家长的接驳车到达系统工作范围内的时间；放学时，t＝T2-t2，其中T2为放学时家长的接驳车到达系统工作范围内的时间。
3.根据权利要求1所述的一种学生接送辅助系统，其特征在于，所述接送路径计算模块计算出学生和家长的接汇点或分离点的具体方法为：
接送路径计算模块根据学生可接受的步行时间t3和学生的平均步行速度计算出学生的可接受步行距离r，以学校为中心，r为半径确定一个圆形区域s；在距离第i个交叉路口L米处设定第i个交点，i＝1，2，3…n，n为s区域内交叉路口的总个数；
学生放学后，接送路径计算模块将n个交点均作为接汇点，当家长的接驳车进入系统工作范围内时，学生从学校出发；接送路径计算模块根据接驳车进入工作范围时的位置G，确定接驳车从位置G到达第i个接汇点共有M条路径，将第I条路径中第x条路段的阻抗函数作为该第x条路段对应的交通网络弧段的权值，并基于此时接驳车的速度、标号法，在M条路径中计算出行驶时间最短的路径，I＝1，2，…M，同时接送路径计算模块计算出学生从当前位置到达第i个接汇点共有M1条路径，在M1条路径中选择学生过马路次数小于等于1的路径，若M1条路径中均不存在过马路次数小于等于1的路径，则删除第i个接汇点，并在剩余的接汇点中选择接驳车行驶时间最短的接汇点；
当学生上学时，接送路径计算模块将n个交点均作为分离点，当接驳车进入系统的工作范围时，接送路径计算模块根据接驳车进入工作范围时的位置H，确定接驳车从位置H到达第j个分离点共有M2条路径，j＝1，2，3…n，将第J条路径中第y条路段的阻抗函数作为该第y条路段对应的交通网络弧段的权值，并基于此时接驳车的速度、标号法，在M2条路经中计算出行驶时间最短的路径，J＝1，2，…M2，同时计算出学生从第j个分离点到达学校共有M3条路径，在M3条路径中选择学生过马路次数小于等于1的路径，若M3条路径中均不存在过马路次数小于等于1的路径，则删除第j个分离点，并在剩余的分离点中选择接驳车行驶时间最短的分离点。
4.根据权利要求1所述的一种学生接送辅助系统，其特征在于，所述车流量采集模块采用视频检测器。
5.根据权利要求1所述的一种学生接送辅助系统，其特征在于，所述位置信息采集模块和速度信息采集模块均采用GPS。
一种学生接送辅助系统
技术领域
[0001] 本发明涉及交通安全领域。
背景技术
[0002] 上下学高峰期学校周边交通拥堵问题得到了普遍的社会关注。一是随着经济的发展和人们生活水平的提高，家长使用机动车接送学生的比例过高，二是接送车辆的集散需要在短时间内完成，并且大都集中在学校门口而不是分散在周边道路上。除了交通拥堵问题，不同方向车流人流的混合而带来了学校周边的交通安全等其他一系列的问题。
[0003] 蔡常伊一发表的《一种基于集成运算的智能中小学周边交通安全系统》，从引导非接送学生的车辆离开学校四周的交通循环圈的角度最大限度的保证了接送车辆的通畅行驶，李宗生等人发表的《基于大数据的学生接送交通引导系统》，借助交通管理部门的管理服务器确定家长的临时停车区；但现有研究均主要从家长的单方面角度如减少外界车辆干扰、确定车辆停放问题考虑如何减少接送时间，对通学学生没有提出要求，没有考虑到学生的安全，导致接送时间延长；且对接送学生车辆的路径选择中并没有考虑到通学流的时空特征，导致拥堵的加剧。
发明内容
[0004] 发明目的：为解决现有技术存中存在没有考虑学生安全、接送时间较长、通学期间学校周边过于拥堵等问题，本发明提供了一种学生接送辅助系统。
[0005] 技术方案：本发明提供一种学生接送辅助系统，该系统以学校的学区覆盖范围和以学校为圆心，2km为半径的范围作为工作范围；该系统包括：第一、二移动终端、采集系统和信息处理系统；所述采集系统包括位置信息采集模块、速度信息采集模块和车流量采集模块，所述信息处理系统包括统计分析模块、数据存储模块和接送路径计算模块；
[0006] 家长在第一移动终端中输入学校要求学生达到的时间t1，以及学生放学的时间t2，所述第一移动终端将t1，t2传送至数据存储模块，学生在第二移动终端中设置可接受的步行时间t3；位置信息采集模块实时采集学生的位置和家长接驳车的位置，并将采集到的信息传送至数据存储模块，所述数据存储模块将收到的位置信息实时发送至第一、二移动终端中显示；速度信息采集模块实时采集学生的步行速度和家长接驳车的速度，并将采集到的速度信息传送至数据存储模块；所述车流量采集模块实时采集系统工作范围内所有道路上的车流量，并将该数据传送至数据存储模块；所述统计分析模块根据数据存储模块中每条道路上的车流量、t1、t2计算每条道路的阻抗函数，并将每条道路的阻抗函数传送至数据存储模块中；
[0007] 当学生放学后，接送路径计算模块根据数据存储模块中的每条道路的阻抗函数、学生可接受的步行时间t3、学校的位置、家长接驳车的位置、学生的步行速度和家长接驳车的速度，计算出学生和家长的接汇点，并将该接汇点发送到第一、二移动终端显示；将学生从学校到接汇点之间过马路次数小于等于1的路径作为学生的最优路径，并发送至第二移动终端中显示，将家长接驳车与接汇点之间行驶时间最短的路径作为家长接驳车的最优路径，并发送至第一移动终端显示；当学生上学时，当接驳车进入系统的工作范围内时，接送路径计算模块根据此时每条道路的阻抗函数、家长接驳车的位置、学生可接受的步行时间t3和学校的位置，计算出学生和家长的分离点，并将该分离点发送到第一、二移动终端显示；将学生从分离点到学校之间过马路次数小于等于1的路径作为学生的最优路径，并发送至第二移动终端中显示，将家长接驳车与接汇点之间行驶时间最短的路径做为家长接驳车的最优路径，并发送至第一移动终端显示。
[0008] 进一步的，所述统计分析模块计算阻抗函数具体为：
[0009]
[0010] 式中， 为a路段在时间T时的车流量， 为家长接驳车在时间T时行驶通过a路段所需要的行驶时间，sa为空间修正因子，sT为时间修正因子， 为家长接驳车按自由流速度通过a路段所需要的行驶时间，Ca为a路段的实际通行能力，α、β为系数；
[0011] 所述空间修正因子sa为：
[0012] sa＝α0/xa
[0013] 其中，α0为学校距离影响系数，xa为道路a的中心点与学校之间的最短距离；
[0014] 时间修正因子sT为：
[0015] sT＝α1·(At2+Bt+C)
[0016] 式中：α1为放学通学流扩散影响系数；At2+Bt+C为描述放学通学时系统工作范围内所有道路拥挤程度的二次函数，A、B、C为系数；上学时，t＝t1-T1，其中T1为上学时家长的接驳车到达系统工作范围内的时间；放学时，t＝T2-t2，其中T2为放学时家长的接驳车到达系统工作范围内的时间。
[0017] 进一步的，所述接送路径计算模块计算出学生和家长的接汇点或分离点的具体方法为：
[0018] 接送路径计算模块根据学生可接受的步行时间t3和学生的平均步行速度计算出学生的可接受步行距离r，以学校为中心，r为半径确定一个圆形区域s；在距离第i个交叉路口L米处设定第i个交点，i＝1，2，3…n，n为s区域内交叉路口的总个数；
[0019] 学生放学后，接送路径计算模块将n个交点均作为接汇点，当家长的接驳车进入系统工作范围内时，学生从学校出发；接送路径计算模块根据接驳车进入工作范围时的位置G，确定接驳车从位置G到达第i个接汇点共有M条路径，将第I条路径中第x条路段的阻抗函数作为该第x条路段对应的交通网络弧段的权值，并基于此时接驳车的速度、标号法，在M条路径中计算出行驶时间最短的路径，I＝1，2，…M，同时接送路径计算模块计算出学生从当前位置到达第i个接汇点共有M1条路径，在M1条路径中选择学生过马路次数小于等于1的路径，若M1条路径中均不存在过马路次数小于等于1的路径，则删除第i个接汇点，并在剩余的接汇点中选择接驳车行驶时间最短的接汇点；
[0020] 当学生上学时，接送路径计算模块将n个交点均作为分离点，当接驳车进入系统的工作范围时，接送路径计算模块根据接驳车进入工作范围时的位置H，确定接驳车从位置H到达第j个分离点共有M2条路径，j＝1，2，3…n，将第J条路径中第y条路段的阻抗函数作为该第y条路段对应的交通网络弧段的权值，并基于此时接驳车的速度、标号法，在M2条路经中计算出行驶时间最短的路径，J＝1，2，…M2，同时计算出学生从第j个分离点到达学校共有M3条路径，在M3条路径中选择学生过马路次数小于等于1的路径，若M3条路径中均不存在过马路次数小于等于1的路径，则删除第j个分离点，并在剩余的分离点中选择接驳车行驶时间最短的分离点。
[0021] 进一步的，所述车流量采集模块采用视频检测器。
[0022] 进一步的，所述位置信息采集模块和速度信息采集模块均采用GPS。
[0023] 有益效果：本方发明根据交通实时的运行情况计算家长和学生的最优接汇点和分离点，为家长和学生规划到达此点的最优路径，从双方面共同行动，在保障学生通学期间安全的前提下缓解学校周边的交通压力。
附图说明
[0024] 图1是本发明的系统结构图；
[0025] 图2是本发明的系统流程图；
[0026] 图3是第一移动终端工作流程图；
[0027] 图4是第二移动终端工作流程图。
具体实施方式
[0028] 构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
[0029] 本实施例提供了一种学生接送辅助系统，如图1所示，包括：
[0030] 1、采集系统
[0031] 1.1位置信息采集模块：采集通学学生和用户家长接驳车的实时位置，实现位置共享，本实施例中采用GPS。
[0032] 1.2速度信息采集模块：采集通学学生和用户家长接驳车的速度，为接送路径计算提供数据，本实施例中采用GPS。
[0033] 1.3车流量采集模块：采集系统工作范围内各道路的车流量q，为后续路径计算是否规避某区域提供数据，本实施例中采用视频检测器。
[0034] 2、信息处理系统
[0035] 2.1统计分析模块：接收采集系统反馈的动态数据里的用户家长接驳车实时位置、学校周边道路上车辆的实时流量，将数据分类，计算通学时间段学校影响区内的道路阻抗函数，同时将计算结果传递给数据存储模块。
[0036] 2.2数据存储模块：对各种静态数据如系统工作范围各路段实际通行能力、各路段车辆自由流速度行驶时间、学生可接受的步行时间t3、学校要求学生到达时间t1、学校放学时间t2以及实时获取的动态数据进行存储，方便统计分析模块和接送路径计算模块的调用。
[0037] 2.3接送路径计算模块：根据采集到的动态数据如通学学生和用户家长接驳车的速度、实时位置以及计算出的通学时间段学校影响区内的道路阻抗，在考虑学生安全的前提下，确定最优接送路径。
[0038] 本实施中系统工作的空间范围为学校交通影响区，包括学区覆盖范围和学校为圆心的2km半径覆盖范围；
[0039] 各个系统之间的工作关系如图2所示：车流量采集模块检测道路车流量，位置信息采集模块获取学生、家长接驳车的实时位置，速度信息采集模块获取学生、家长接驳车的速度信息，并将此信息通过局域网实时的传输给信息处理系统；信息处理系统通过Internet将处理得到的接汇点(分离点)、家长和学生的最优路径输出至第一终端和第二终端显示。
[0040] 3、输出系统各模块
[0041] 3.1第一移动终端：为手机App，供家长使用，显示学生和自身车的位置，根据学生速度和自身速度以及接汇点和分离点的距离显示接送路线、预计时间、是否停靠待接点(为避免学校中心区域拥堵而在外部停靠的地点)、停靠时间、并提示家长周边交通拥堵情况。
[0042] 如图3所示，家长通过注册完成身份信息、家庭住址及学校地址等信息的存储，之后与学生的智能穿戴设施绑定便于后续查看学生的实时信息如位置、速度等，以上为默认信息的输入。
[0043] 家长接送学生时需输入目的地(家、学校或者超市等其它地点)，行程进行，在系统工作的空间范围外采取正常导航工作模式，在系统工作的空间范围内采取“接送路径计算模块”提供的算法，来进行路径规划、信息提示、实时导航、时间预估以及用户家长与通学学生的位置路径共享，行程结束后为用户家长展示本次出行的总耗时、总里程等信息以及收集家长对本次出行的意见，最后退出应用。
[0044] 3.2第二移动终点：为学生的穿戴设备，通过语音提示学生行走路线、行走时间、过街语音警示、家长预计到达时间。
[0045] 如图4所示，学生通过注册完成身份信息(包括可接受步行时间t3)、家庭住址及学校地址等信息的存储，之后与家长的手机绑定，填写紧急联系人的电话号码，便于遇到紧急情况时进行求助，以上为默认信息的输入。
[0046] 学生放学(上学)走出校门时(离开家长接驳车后)穿戴设施便自动开启接收信息处理系统给出的优化路径，行程进行，在减少过街、紧急求助、危险警示等功能的保驾护航下安全到达接汇点(学校)，穿戴设施为其提供路径规划、信息提示、实时导航、时间预估及用户家长与通学学生的位置路径共享，行程结束后为通学学生展示本次出行的总耗时、总里程等信息以及收集学生对本次出行的意见，最后退出应用。
[0047] 优选的，具体计算阻抗函数为：考虑到通学时间段学校影响区内的道路随着离学校的距离越远、离放学时间越长，所受到的影响越小，所以在阻抗函数引入“空间修正因子”和“时间修正因子”，以贴合通学时间段学校影响区内道路拥堵的空间特征和时间特征，计算公式如下：
[0048]
[0049] 式中： 为a路段在时间T时的车流量， 为家长接驳车在时间T时行驶通过a路段所需要的行驶时间，sa为空间修正因子，sT为时间修正因子； 为家长接驳车按自由流速度通过a路段所需要的行驶时间；Ca为a路段的实际通行能力，α、β为系数。
[0050] 空间修正因子sa和时间修正因子sT的确定分别如下：
[0051] sa＝α0/xa. (2)
[0052] 式中：α0为学校距离影响系数，xa为道路a的中心点与学校之间的最短距离；
[0053] sT＝α1·(At2+Bt+C). (3)
[0054] 式中：α1为放学通学流扩散影响系数；At2+Bt+C为描述放学通学时系统工作范围内所有道路拥挤程度的二次函数，A、B、C为系数；上学时，t＝t1-T1，其中T1为上学时家长的接驳车到达系统工作范围内的时间；放学时，t＝T2-t2，其中T2为放学时家长的接驳车到达系统工作范围内的时间；
[0055] 优选的，接汇点和分离点的算法设计思路为：
[0056] 由于家长接送孩子的目的地并非学校这个固定地点，而是需要在接孩子时双向运动到某个点汇合，送孩子时在某个点分离，因此系统需要先规划出备选的接汇点和分离点，再确定备选路径，最后为使目标函数最优，确定最优路径以及接汇点和分离点。
[0057] 具体方法：设在系统工作的空间范围内存在一个边数为m，节点数为n，弧段权值为的交通网络以及一个学生可独自通学的区域S。
[0058] 步骤①：区域s的确定。以根据GPS采集得到的学生步行速度v，学生在穿戴设施中输入的可接受步行时间t3计算出学生可接受步行距离r，其中
[0059] r＝v*t3 (4)
[0060] 区域s为以学校为圆心，r为半径的覆盖范围。
[0061] 步骤②：备选接汇点和分离点的确定：接汇点：在距离第i个交叉路口L米处设定第i个接汇点，i＝1，2，3…n，n为s区域内交叉路口的总个数；分离点：在距离第j个的交叉路口L米处设定第j个分离点，j＝1，2，3…N，N为s区域内交叉路口的总个数。
[0062] 步骤③：放学时，接送路径计算模块根据接驳车进入工作范围时的位置G，确定接驳车从位置G到达第i个接汇点共有M条路径，将第I条路径中第x条路段的阻抗函数作为该第x条路段对应的交通网络弧段的权值，并基于此时接驳车的速度、标号法，在M条路经中计算出行驶时间最短的路径，I＝1，2，…M；同时接送路径计算模块计算出学生从当前位置到达第i个接汇点共有M1条路径，在M1条路径中选择学生过马路次数小于等于1的路径，若M1条路径中均不存在过马路次数小于等于1的路径，则删除第i个接汇点，并在剩余的接汇点中选择接驳车行驶时间最短的接汇点；从而根据确定的接汇点确定接驳车的最优路径和学生的最优路径。
[0063] 上学时：接送路径计算模块根据接驳车进入工作范围时的位置H，确定接驳车从位置H到达第j个分离点共有M2条路径，将第J条路径中第y条路段的阻抗函数作为该第y条路段对应的交通网络弧段的权值，并基于此时接驳车的速度、标号法，在M2条路经中计算出行驶时间最短的路径，J＝1，2，…M2；同时计算出学生从第j个分离点到达学校共有M3条路径，在M3条路径中选择学生过马路次数小于等于1的路径，若M3条路径中均不存在过马路次数小于等于1的路径，则删除第j个分离点，并在剩余的分离点中选择接驳车行驶时间最短的分离点。从而根据确定的分离点确定接驳车的最优路径和学生的最优路径。
[0064] 假设家长从家驱车出发，输入目的地为学校，系统运行，当行驶进入系统工作范围时，开始实现App与穿戴设备身份配对。位置信息采集模块和速度信息采集模块启动，通过GPS采集道路上的车辆的位置信息与速度信息，车流量及分布采集模块采集车流量信息，将所采集到的动态信息上传至信息处理系统的数据存储模块进行保存，并结合静态数据，通过统计分析模块进行数据处理分析，再通过接送路径优化模块分别规划出家长和孩子的最佳路径和接汇点。假设此时系统给出的家长最优路径为路径1，孩子的最优路径为路径2，家长和孩子的接汇点为A点，同时输出系统的App模块和穿戴设备模块启动，将其接汇点、路径规划共享并显示在此终端。
[0065] 学生离开校门时穿戴设备便自动启动，系统按默认可接受步行时间t3运行(如学生因为身体不适需要修改，则系统按照新设置的时间作为t3)，向学生展示规划好的最优路径2，学生沿规划好的路径出发。假设路径2包含一个需过街的交叉口B，当学生走到距离B路口3m处时，穿戴设备发出路口警报，警告前方即将通过路口，小心行走。最后孩子按规定路线行驶到接汇点A，同时家长到达，接上学生并在App上选择好目的地后立即按系统规划路线驱车驶离。
[0066] 上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。
