第一章 緒論
1.1 動機
由於經濟的發展，近年來車輛的數目持續地增加，隨著車輛數目 的快速增加，也衍生了各式各樣的交通問題，例如交通阻塞，交通意 外，停車問題…等等。這些交通問題在人口密度高的地區，如大都會 區，則更為嚴重。根據交通部以及營建署的統計資料[1][2]，目前台 灣的車輛數目已遠超過所能提供的停車位數目，並且車輛數每年增長 的速度遠大於停車位數增加的速度。可想而知，未來數年中，如果沒 有良好的對策，則停車問題將會變得越來越嚴重。
因此如何解決日趨嚴重的停車問題就成為目前亟需思考的課 題。一般解決這個問題的方法有增建新的停車場，改善現有的停車場 以增加停車容量，或是採用更有效率的停車場管理系統。因為都市裡 的土地昂貴，加上建築工程需要一段漫長的工時，所以第一種方法雖
然是最根本有效，卻也是成本最高最難以實現的。相較之下第二種方 法是個不錯的選擇，因為改善現有的停車場沒有土地取得困難的問 題，不過改善工程仍是所費不貲，而且在改善的這段期間，停車場也 沒有辦法使用。第三種方法是則是前述幾種方案中成本最低也最迅速 的，由於建置所需的硬體設備不像土木、機電工程的龐大，而且在建 置期間，停車場的運作可以持續，真正需要停擺的時間不會太長，且 增進的效率亦相當可觀。
現行的停車場管理系統主要可以分為三類：
1. 傳統式停車場管理系統（Traditional parking system）– 最原
始全人工的停車場管理系統。所有的管理動作都由人工完成，
除了閘門外幾乎不需要任何硬體設備。優點是建置簡單，但人 力成本很高而且整體效率並不好。
2. 自動化停車場管理系統（Automated parking system） – 較
新型的管理系統。此系統有許多功能以節省人力成本，但也需 要許多硬體設備來實現。常見的功能有車牌辨識（License Plate Recognition, LPR）、自動化票券（Automatic ticket）、安全管理…
等。由於以上種種功能的實現，停車場管理的便利性大幅增
加，同時也減低了人力成本。
3. 智慧型停車場管理系統（Intelligent parking system, IPS) – 自 動化停車場管理系統的改良。除了各種高科技的硬體設備外，
更整合了多種軟體功能以達到更有效率的停車場系統管理。
其中以智慧型停車場管理系統[3][4]最為可行，本文採用的是由 智慧型運輸系統（ITS）實驗室所提出的智慧型停車場管理系統架構，
此系統乃是由七個子系統所組成，目的在於縮短停車時所耗費的時間 並進而增加停車場的使用效率。如圖 1.1 所示，整個系統可以分為七 個子系統，各有其獨特的功能，茲分述如下：
Fig. 1.1 IPS framework
1.中央管理系統－是整個智慧型停車場系統的控制核心，各子系
統所產生的資料皆集中儲存於此。其所記錄的資料包含了車主 資料、車輛資料、車輛進出入記錄、場內空位分佈、車輛引導 系統記錄、及收費記錄等。
2.控制系統－主要負責整個停車場內硬體設備的控制，包含了閘
道、攝影機、車位顯示器、方向指示器、車輛感應器、及警報 器等各種安全感應器，及設施之控制管理電路。作為中央管理 系統與停車場硬體設備之間主要的溝通橋樑。
3.付費系統－除了提供付費功能之外，更提供車輛查詢的功能，
車主可利用車牌號碼\停車位置\進場時間等任一方式來查詢 愛車的停放位置，及應繳納之停車費用。
4.監視系統－監視系統提供了場內的視訊監視的功能，並可分析
過濾場內的異常狀況以提醒現場管理人員注意，以便適時的處 理。
5.網路系統－提供兩大功能：一為網路查詢場內資訊以及網路預 約停車功能、一為遠方簽約店家合作功能。車主可以透過這個 系統在網路上面查詢場內的資訊，包含了停車位使用狀況、停
車場所在位置等，也可以透過這個系統預約場內的停車位。另 外簽約的店家則可以透過這個系統完成該店家為客戶車輛預 先繳費的動作。
6.車牌辨識系統－在停車場出入口處各個閘道上皆架設有攝影 機，這些攝影機會將該閘道上車輛影像傳回車牌辨識系統中的 電腦主機以辨識該車輛的車牌號碼。在智慧型停車場的出入口 閘道上皆設有一車輛感應器，當車輛經過的時候，感應器會被 觸發，送信號至控制系統；控制系統會將目前車輛所在的閘道 位置，傳送至中央管理系統並儲存於中央管理系統；此時中央 管理系統會將該車輛所在的閘道位置通知車牌辨識系統，車牌 辨識系統便可取得該閘道上的攝影機訊號，以便啟動車牌辨識 的程序；最後車牌辨識系統會將辨識結果，進出場的時間，車 輛影像傳回中央管理系統之資料倉儲作記錄。
7.車輛導引系統－車輛導引系統主要是提供車輛追蹤及導引的 功能，在車輛進場的時候，車輛引導系統會監視、追蹤每一 輛停車場內的車輛；當車輛行經某一路口前，車輛引導系統 會根據中央管理系統所提供的停車場內各區域空車位的分佈
資料，計算出最適當的停車位，適時的啟動路口的導引號誌，
引導該車輛前往停放；最後當車輛停妥後，車輛引導系統會 將該車輛所停放的位置，傳回中央管理系統並將該資料儲存 於資料倉儲；所以其他的子系統均可以透過資料倉儲提出資 料的請求，得知場內所有車位以及車輛的使用狀態。
Fig. 1.2 IPS parking lot chart
圖 1.2 是一個 IPS 停車場平面圖，其中包含了所有各種硬體設備 如閘門（gate），攝影機（camera），環場攝影機（omni directional camera），方向指示號誌（direction signal），感應器(sensor)以完成 IPS
系統功能。同時圖中也清楚標明了車道以及停車位的位置，必須有這 些資訊我們的導引系統才能順利運作。
IPS 停車場的運作情形如下：在停車場的入口處裝有一顯示器用 來顯示場內尚餘的空車位數，必須在停車場內尚有空位時，車輛始可 駛入。而當車輛進入停車場時，系統會啟動裝置於入口處的攝影機，
將車輛影像拍攝下來，一方面用來存檔，一方面作為車牌辨識之用。
若車牌辨識成功，中央管理系統即記錄該車的車號，影像，進場的時 間，車子繼續行駛進入停車場，但若辨識失敗則入口柵門將自動放 下，該車輛必須循另一通道出場。對於通過車牌辨識的車子，在其駛 入停車場時，隨即有導引系統利用場內的環場攝影機追蹤該車輛的行 徑，並且隨時將其位置傳送給導引系統。導引系統會依車子目前的位 置及管理系統所提供的場內空位分佈的資訊，迅速引領車子至空位 處。俟車子停妥後，追踨系統會將該車輛停放的位置傳回管理系統。
在車主稍後要回來取車時，收費系統即根據車子停留的時間計算該車 的停車費用。俟車主繳清費用後，系統即顯示其愛車停放的位置，如 此車主便可輕鬆取車；最後在車子要駛離停車場時，仍須經車牌辨 識，確認繳費後，始可離場，若未繳費則系統先將出口柵門放下，並 以語音及燈號方式，通知車主繳費。
導引系統為 IPS 中的一個子系統。其好處包括減低停車場內交通 的擁塞、空氣污染的減少、石化燃料使用量的減少以及減低駕駛者的 焦慮使其心情較愉悅。要完成一個好的導引系統，我們必須瞭解導引 系統跟其他子系統的關係，以及有哪些資料在子系統間如何流動。關 於這些細節，將在第二章中詳細討論。本文所提出的導引系統除了應 用在停車場管理系統上，亦可以用來做都市交通規劃。例如辦大型活 動時將整個都市視為一個停車場，原本都市中的停車場則視為停車 位 ， 加 上 ”容 量 ”的 概 念 即 可 應 用 。 另 外 也 可 以 運 用 在 疏 散 系 統
（Evacuation System）上，當都市發生恐怖攻擊時，迅速將人潮從歹 徒放置炸彈的地區或是大樓緊急疏散到安全的地點。
1.2 相關文獻探討
以下依序對停車問題、區位問題、運動規劃問題、交通號誌控 制、以及疏散系統等主題作相關文獻探討。
1.2.1 停車問題（Parking problem）
規劃停車場乃目前解決停車問題最主要的方法之一，關於停車
問題的相關研究可以分為三類，一.停車場管理、二.停車區位選擇、
三.停車需求預測。
隨著時代與科技的進步，現在停車場中都架設了許多硬體設備如 攝影機、感應器、顯示器…等，藉此達到更完善的管理，尤其是收費 系統跟安全監控的改進[5][6]，讓停車場的管理效率及安全程度都大 為提升。停車區位選擇問題通常是應用區位理論或是偏好理論來求 解，利用定義的代價函數或是效用函數，研究在不同的環境下，例如 都會區、校園、或是觀光景點，停車設施應該如何設置才能得到最大 的效益[7][8]。停車需求預測乃是用來分析同一座停車場的長期停車 需求以及短期特定事件停車需求，通常使用類神經網路（Neural Network）或是排隊理論（Queuing Theory）來分析[9][10]。
1.2.2 區位問題（Location problem）
區位問題乃是在 1909 年由 Weber 提出工業區位理論後[11]，此 理論才被廣泛的探討與研究。Weber 理論中心思想就是由區位因子來 決定生產場所，所謂的區位因子，指的是某種因素作用下在某場合進 行生產所獲得的利益（或是生產費用的節約）。因此區位問題所追求 的區位為生產費用最小的地點或是節約費用最大的地點。
之後在許多學者的努力下，區位指派模型（Location-Allocation Model）在 60 年代後開始被廣泛研究與應用[12][13]。在公共設施方 面包括醫院、學校、圖書館、垃圾收集場、消防救護設施以及救災避 難所；在私人部門則包括倉庫區位、工廠廠房、連鎖零售商店開設地 點、貨物轉運站設置等方面的問題，延伸至許多不同的研究領域。
就目前已發展出的模型而言，多準則決策（Multiple Criteria Decision Making）是最常用來解區位問題的方法[14]。近年來常結合 模糊數學規劃（Fuzzy Mathematics Programming）以求得更好的解 [15]。
1.2.3 運動規劃問題（Motion planning problem）
衡量一個運動規劃問題主要考慮兩個因素：安全性和高效性。具
體敘述如下：
安全性（Collision Free）：主要的考慮是避免碰撞問題。
高效性：主要的考慮是路徑的最佳化（Optimization），目的是讓 物體在最短的時間沿著最短的路徑到達目標位置。
在實際應用中，根據問題的不同，這兩個因素可能有不同的重視
程度。目前常見的計算方法乃是利用 Probabilistic Roadmaps Method
（PRM）的概念，也就是將路徑規劃空間中沒有障礙物的區域以某種 機率取樣，並按照某種規則連接這些點，形成 Probabilistic Roadmaps，
並從而將空間中的路徑規劃問題轉化為 Probabilistic Roadmaps 上的 搜索問題[16][17][18]。近年來的研究則集中在動態環境（Dynamic Environment）的問題，也就是障礙物會變動或是空間中同時有多個 物體在移動的情形，通常利用 Configuration Space 的概念來求解[19]。
1.2.3 交通號誌控制（Traffic signal control）
交通號誌控制理論大致可以分為離線(off-line)控制與線上
(on-line)控制。離線控制主要是由事先調查之各時段車流資料特性，
然後經由號誌時制軟體運算求得適當之號誌時段來放入號誌控制器 內加以執行運作。不過此方式難以應付瞬息萬變之車流量變動，定時 號誌控制(Pretimed Signal Control)即屬此類。線上控制方式也就是考 慮動態的觀念，利用偵測器即時傳回各種車流資料，再加以軟體運算 得到一個新的時制計畫，然後迅速傳回路口控制器加以執行。常見的 有觸動式號誌控制、動態式號誌控制、適應性（Adaptive）號誌控制。
其中以適應性號誌控制因具有彈性、實用性、可靠性且能即時運作等 特性，因而被大量研究發展，著名的有英國 SCOOT、澳洲 SCATS、
美國 OAPC…等[20][21][22]。因為在實務上交通號誌控制往往容易遭 受到不確定因子的干擾，所以近年來相關研究常納入類神經網路或模 糊理論的應用[23][24][25]。
1.2.4 疏散系統（Evacuation System）
疏散系統的目的乃是在大規模災害事件例如地震或是火災發生 時，迅速地將人員疏散到安全的地方，主要工作有兩個：一.決定疏 散的路線；二.有效地導引人員至安全地點[26]。
起初疏散問題被視為靜態網路(static networks)中的流量(flow)問 題，通常使用 1. Shortest path、2. Minimum cost network、3. Quickest path 等方法來求解。然而這種方法屬於預應式規劃(proactive planning) 的範疇，只適用在已知且範圍小的環境，例如大樓的火災疏散計畫。
然而這樣的疏散系統並不足夠，理由如下：
1. 災害發生時環境經常會產生變動，預先規劃的疏散路徑可能 會發生無法通行之狀況
2. 當災害在短時間內（或是鄰近地點）連續發生時，損傷程度 將會擴大，只針對單一事件所做的疏散規劃難以應付
3. 大範圍區域可能存在數個不同需求的災害規劃，必須考慮整
體的一致性才能將災害的所有損傷減低到最小
所以要處理實際的災害時，疏散系統必須使用時變網路架構
（time-varying network structure），將各種即時的變化如路徑是否能通 行、擁擠程度(congestion)、流量大小都納入考慮，如此才能隨時變動 疏散路徑並有效地將人員疏散至安全地點[27]。此外大範圍區域內的 各種疏散計畫也必須整合，規劃出最適當的疏散時機以及最一致的疏 散計畫。例如 Takashi[28]所考慮的 multiagent system，大樓火災疏散 計畫中每一個 agent 有著各自的限制，乃是利用 PredicateTransition-net 來加以整合；而 Chiu[29]則發展了一個疏散模型(Evacuation model)，
來找出最佳的疏散時機以及疏散路徑。
1.3 論文架構
這篇論文共分為六章。在第二章中我們介紹系統的架構及其流 程；第三、四章介紹系統的建置，第三章會定義最佳停車位，最佳路 徑以及規劃的策略。第四章將討論如何定義方向指示號誌以及控制策 略。第五章的模擬實驗會有各種模擬情況討論，並有多個例子來證明 本系統在各種狀況下都可發揮其功能。第六章是結論，並討論未來可 能的研究方向。
