淺析高精度地圖在自動(dòng)駕駛系統(tǒng)中的應(yīng)用

顧穎虹

(中移(上海)信息通信科技有限公司, 上海 201206)

0 引言

自動(dòng)駕駛是汽車(chē)與交通領(lǐng)域的顛覆性技術(shù),是新一代移動(dòng)通信技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)、人工智能技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)與汽車(chē)產(chǎn)業(yè)深度融合的產(chǎn)物,對(duì)于促進(jìn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)、科技、安全發(fā)展,帶動(dòng)國(guó)家制造業(yè)和汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)具有重要意義[1-2]。高精度地圖(High Definition Map),又稱(chēng)自動(dòng)駕駛地圖,是面向機(jī)器(智能汽車(chē)控制系統(tǒng))使用的地圖。相較于傳統(tǒng)導(dǎo)航電子地圖,高精度地圖的精度更高,道路語(yǔ)義信息更豐富且準(zhǔn)確。通常情況下,傳統(tǒng)導(dǎo)航電子地圖的絕對(duì)精度在5 m左右,僅描繪道路位置和幾何形態(tài)。高精度地圖的絕對(duì)精度普遍認(rèn)為在5～20 cm之間,并且三維表征車(chē)道級(jí)道路空間信息,能夠以云邊協(xié)同、車(chē)路協(xié)同等方式實(shí)現(xiàn)信息加載,輔助車(chē)輛感知、定位、規(guī)劃與控制,滿(mǎn)足智能時(shí)代多種高層次的應(yīng)用需求[3]。

自2016年特斯拉ModelS在開(kāi)啟自動(dòng)駕駛模式下發(fā)生交通事故以來(lái),各大主機(jī)廠認(rèn)識(shí)到單純依靠激光雷達(dá)、攝像頭等車(chē)身傳感器的方案存在局限性,行車(chē)安全無(wú)法保障,L3級(jí)別以上的自動(dòng)駕駛功能實(shí)現(xiàn)必須引入高精度地圖,將其作為虛擬傳感器,拓展車(chē)身傳感器的性能邊界[4]。此外,高精度地圖不僅應(yīng)用在自動(dòng)駕駛領(lǐng)域,同時(shí)也可進(jìn)一步構(gòu)建位置服務(wù)產(chǎn)品的核心,如在互聯(lián)網(wǎng)交通精細(xì)執(zhí)法、智慧出行、智慧城市等多方面發(fā)揮作用[5-6]。近年來(lái),受新冠肺炎疫情的影響,京東、美團(tuán)、新石器慧通(NEOLIX)等公司先后將無(wú)人消毒車(chē)、無(wú)人送貨車(chē)投入一線使用,高精度地圖作為無(wú)人車(chē)在示范區(qū)內(nèi)公開(kāi)道路上安全行駛的關(guān)鍵技術(shù)之一發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。截至2021年3月,國(guó)內(nèi)已有30家單位獲得導(dǎo)航電子地圖甲級(jí)測(cè)繪資質(zhì),以期在高精度地圖領(lǐng)域獲得業(yè)務(wù)發(fā)展先機(jī),其中以高德、百度(長(zhǎng)地萬(wàn)方)、四維圖新為代表,也不乏互聯(lián)網(wǎng)頭部企業(yè)和初創(chuàng)新勢(shì)力。

雖然高精度地圖受到測(cè)繪行業(yè)、汽車(chē)電子行業(yè)等學(xué)者的密切關(guān)注,但其研究存在以下現(xiàn)象:①?gòu)奈墨I(xiàn)分析角度看,總體研究深入不夠,表現(xiàn)在科普性的宣傳報(bào)道文獻(xiàn)較多;②技術(shù)研究集中在高精度地圖數(shù)據(jù)的采集原理、建圖原理等,從自動(dòng)駕駛應(yīng)用開(kāi)發(fā)角度探討高精度地圖的協(xié)同應(yīng)用相對(duì)較少;③數(shù)據(jù)邏輯結(jié)構(gòu)則側(cè)重于從動(dòng)靜態(tài)圖層的劃分、要素定義等細(xì)節(jié)探討與傳統(tǒng)導(dǎo)航電子地圖的差異,研究與傳統(tǒng)導(dǎo)航電子地圖的交互較少。因此,文章圍繞高精度地圖在自動(dòng)駕駛應(yīng)用的實(shí)現(xiàn)路徑,從高精度地圖數(shù)據(jù)分發(fā)引擎的應(yīng)用架構(gòu)、數(shù)據(jù)模型以及基本分發(fā)內(nèi)容3個(gè)方面,探討高精度地圖數(shù)據(jù)在車(chē)端應(yīng)用實(shí)現(xiàn)中解析、傳輸、重構(gòu)的過(guò)程,從而對(duì)高精度地圖數(shù)據(jù)在自動(dòng)駕駛方面的應(yīng)用方式進(jìn)行梳理。

1 地圖數(shù)據(jù)分發(fā)應(yīng)用架構(gòu)

自動(dòng)駕駛系統(tǒng)可依托高精度地圖將復(fù)雜環(huán)境進(jìn)行解構(gòu),把人性化的社會(huì)規(guī)則轉(zhuǎn)換為車(chē)輛能夠理解的方式進(jìn)行傳遞,從而降低或優(yōu)化分配自動(dòng)駕駛系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)視距環(huán)境感知時(shí)對(duì)其他車(chē)身傳感器的依賴(lài)[7-8]。分布式的汽車(chē)電子電氣架構(gòu)下,高精度地圖通常與“定位”或“感知”模塊組合為統(tǒng)一整體并內(nèi)置于“地圖盒子”或地圖控制單元(electronic control unit,ECU)的軟硬件一體化產(chǎn)品中,協(xié)同輸出能力供其他控制單元使用。隨著下一代汽車(chē)電子電氣架構(gòu)趨向于高性能的中央集中式,高精度地圖將會(huì)以獨(dú)立模塊存在,直接嵌入在中央域控制單元。但無(wú)論哪種方式,都需將地圖語(yǔ)言轉(zhuǎn)換成汽車(chē)語(yǔ)言,即將原始高精度地圖數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的分析分解后形成自動(dòng)駕駛中央域控制器可用的數(shù)據(jù)。在此內(nèi)部數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中,遵循高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議(advanced driver assistance systems interface specifications,ADASIS),該協(xié)議于2019年正式發(fā)布,主要目的是為解決各功能控制單元或控制域異構(gòu)的問(wèn)題[9]。

當(dāng)高精度地圖數(shù)據(jù)以一定形式分發(fā)至車(chē)內(nèi)以太網(wǎng)或控制器局域網(wǎng)(controller area network,CAN)總線時(shí),自動(dòng)駕駛中央域控制單元如何對(duì)該高精度地圖信息進(jìn)行利用是要處理的問(wèn)題,也就是地圖數(shù)據(jù)傳遞至應(yīng)用系統(tǒng)包含數(shù)據(jù)解析、傳輸及信息再重構(gòu)的過(guò)程。ADASIS定義的高精度地圖數(shù)據(jù)分發(fā)應(yīng)用架構(gòu)(圖1),包括提供地圖數(shù)據(jù)的分發(fā)引擎(electronic horizon provider,EHP)和重構(gòu)地圖數(shù)據(jù)的引擎(electronic horizon restructure,EHR)。其中EHP,也被稱(chēng)為電子地平線,負(fù)責(zé)地圖數(shù)據(jù)的組織與發(fā)送,為高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)(advanced driving assistance system,ADAS)應(yīng)用提供超視距的前方道路信息,是高精度地圖數(shù)據(jù)與ADAS應(yīng)用之間的橋梁。類(lèi)似于其他車(chē)身傳感器數(shù)據(jù),高精度地圖數(shù)據(jù)也是以消息形式傳輸至自動(dòng)駕駛控制單元。電子地平線消息的主體結(jié)構(gòu)由位置消息(Position Message)、屬性消息(Profile Message)、全局元數(shù)據(jù)消息(Global Data Message)、屬性控制消息、路徑控制消息構(gòu)成。EHR則是主要負(fù)責(zé)分析和解釋從EHP接收到的數(shù)據(jù),并重構(gòu)地圖數(shù)據(jù)供ADAS應(yīng)用模塊使用。EHP的主要數(shù)據(jù)來(lái)源是本地地圖數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)和車(chē)輛定位傳感器的數(shù)據(jù),車(chē)身其他視覺(jué)傳感器的感知數(shù)據(jù)是作為輔助數(shù)據(jù)輸入,更新或補(bǔ)充車(chē)輛當(dāng)前位置的電子地平線消息。各ADAS應(yīng)用程序監(jiān)聽(tīng)以太網(wǎng)上的電子地平線消息,有選擇性地獲取和自身應(yīng)用有關(guān)的單個(gè)或多個(gè)電子地平線消息數(shù)據(jù),最終完成各項(xiàng)應(yīng)用[10-11]。

圖1 基于ADASIS的高精度地圖分發(fā)應(yīng)用架構(gòu)

2 地圖數(shù)據(jù)分發(fā)模型

高精度地圖作為自動(dòng)駕駛系統(tǒng)中不可或缺的虛擬傳感器之一,不受各種天氣氣候環(huán)境的影響,在一些車(chē)身傳感器感知性能下降或失效的情況下,依舊可在一定時(shí)間內(nèi)提供前方道路環(huán)境信息,起到感知冗余的作用[12]。根據(jù)ADASIS的定義,電子地平線是表達(dá)車(chē)輛前方的道路及道路屬性信息,也是自動(dòng)駕駛系統(tǒng)應(yīng)用開(kāi)發(fā)中主要分發(fā)的高精度地圖數(shù)據(jù),其邏輯描述也引入了路徑、偏移量、屬性等基本實(shí)體。由于地圖數(shù)據(jù)使用者切換至車(chē)輛控制系統(tǒng),用于分發(fā)的數(shù)據(jù)模型和常見(jiàn)的導(dǎo)航電子地圖表達(dá)有所不同,本章分別從路網(wǎng)模型表達(dá)、屬性模型表達(dá)、自車(chē)位置模型表達(dá)3個(gè)方面進(jìn)行梳理。

路網(wǎng)模型?，F(xiàn)實(shí)道路一般涉及描述和計(jì)算兩個(gè)作用,數(shù)據(jù)分發(fā)時(shí)需側(cè)重于計(jì)算,要求有明確的綜合性。從自動(dòng)駕駛功能應(yīng)用實(shí)現(xiàn)角度,最需要檢索獲取的是車(chē)輛前方合理時(shí)間內(nèi)可訪問(wèn)的路段及相關(guān)屬性,對(duì)于車(chē)輛后方的路網(wǎng)信息并不關(guān)注。因此,用于分發(fā)的路網(wǎng)模型是由車(chē)輛為中心的層級(jí)式最可能路徑(Most Preferred Path,MPP)的集合。該集合包含二層的模型抽象,首先經(jīng)由現(xiàn)實(shí)世界抽象表達(dá)成高精度路網(wǎng)模型,再由高精度路網(wǎng)模型進(jìn)一步組織、優(yōu)化抽象為路徑表達(dá)的層級(jí)式樹(shù)狀模型。其中,第一步的目的是將現(xiàn)實(shí)世界復(fù)雜的道路環(huán)境轉(zhuǎn)化為簡(jiǎn)單的抽象視圖,并能夠準(zhǔn)確地表示道路屬性。如圖2(a)所示,采用導(dǎo)航時(shí)代被廣泛應(yīng)用的節(jié)點(diǎn)(node)、鏈路(link)道路網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)模型,再重新定義參考線、細(xì)化車(chē)道分組等的方式[13]。第二步的目的是將圖2(a)以地圖為中心的表達(dá)切換為圖2(b)所示以機(jī)器為中心的表達(dá)方式。其構(gòu)建過(guò)程是根據(jù)車(chē)輛所在link,將車(chē)輛通過(guò)前方道路網(wǎng)絡(luò)的所有可能路徑表達(dá)為獨(dú)立Path,并進(jìn)一步優(yōu)化路徑組織方式,如link 95因位于車(chē)輛后方,被視為無(wú)效路段而舍棄。圖2(c)則是車(chē)輛視角的最可能路徑集合,車(chē)輛未來(lái)可能遵循的行駛路線。上述以線性路徑方式分發(fā)高精度地圖數(shù)據(jù)的優(yōu)勢(shì)在于車(chē)端應(yīng)用程序無(wú)須遍歷所有弧段、節(jié)點(diǎn),便可獲得到達(dá)目的地的可選路由。

(a)節(jié)點(diǎn)鏈路路網(wǎng)模型 (b)路徑路網(wǎng)模型

(c)車(chē)輛視角的路徑路網(wǎng)模型

屬性模型。道路除開(kāi)空間綜合描述外,屬性表達(dá)對(duì)高精度地圖數(shù)據(jù)的車(chē)端應(yīng)用分發(fā)具有較大影響：①屬性數(shù)據(jù)項(xiàng)需能夠?qū)Φ缆愤M(jìn)行完整有效的描述；②要確保支持消息的有序緊湊傳輸。因此,數(shù)據(jù)分發(fā)的屬性模型由路徑、偏移量、屬性插值類(lèi)型、屬性值構(gòu)成。其中偏移量具體是指自車(chē)當(dāng)前位置距離后方關(guān)鍵點(diǎn)的距離,該相對(duì)量是通過(guò)兩個(gè)絕對(duì)值相減獲得。如圖3所示,屬性插值類(lèi)型包括點(diǎn)值,范圍值,線性值3種類(lèi)型。

點(diǎn)值類(lèi)型的屬性定義為在路徑范圍內(nèi)某一給定位置存在點(diǎn)屬性,屬性的差異通過(guò)不同的偏移量來(lái)表達(dá)。范圍值類(lèi)型的屬性定義為到下一屬性的偏移量位置處一直有效,也可通過(guò)結(jié)束偏移量(EndOffset)終止區(qū)間范圍。線性值類(lèi)型的屬性定義為在給定的位置間進(jìn)行線性插值表達(dá)。

具體屬性表達(dá)時(shí),采用沿路徑的方式,通過(guò)路徑偏移量表示在路徑范圍內(nèi)屬性的所在位置,諸如路徑上的交通附屬設(shè)施、路口等均視為路徑的屬性。諸如交通信號(hào)燈、桿狀物等附屬設(shè)施表達(dá)時(shí)可定義為點(diǎn)值類(lèi)型的屬性,車(chē)道寬度可定義為范圍值類(lèi)型,而各類(lèi)限制信息因具有生效距離可定義為范圍值類(lèi)型或線性值類(lèi)型。

圖3 屬性插值類(lèi)型示意圖

自車(chē)位置模型。結(jié)合前文描述的數(shù)據(jù)分發(fā)路網(wǎng)模型和屬性模型表達(dá)方式,在數(shù)據(jù)分發(fā)引擎中,自車(chē)位置的表達(dá)并非以經(jīng)緯度值的絕對(duì)表達(dá),而是基于所在路徑的相對(duì)位置描述。其確定對(duì)車(chē)輛前方道路層級(jí)式可能路徑的生成起到關(guān)鍵作用。通常情況下,由于不確定性,自車(chē)位置可能映射至一個(gè)或多個(gè)路徑中,因此,自車(chē)位置的表達(dá)由時(shí)間戳和包含有路徑、偏移量、偏離值的數(shù)組構(gòu)成,其字段描述如表1所示。其中時(shí)間戳可直接獲取衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)的定位信息,偏離值表達(dá)車(chē)輛絕對(duì)位置與匹配路徑的垂直距離,可作為具體自動(dòng)駕駛系統(tǒng)是否啟用地圖數(shù)據(jù)的判斷依據(jù)。在該數(shù)組中,可進(jìn)一步擴(kuò)展其他屬性,如車(chē)速,航向、當(dāng)前車(chē)道、最優(yōu)可選路徑等。

表1 自車(chē)位置消息字段

3 面向?qū)Ш揭?guī)劃的基本分發(fā)內(nèi)容

基于高精度地圖的導(dǎo)航規(guī)劃是指在傳統(tǒng)道路級(jí)路徑規(guī)劃基礎(chǔ)上,結(jié)合車(chē)道模型并設(shè)計(jì)代價(jià)函數(shù),得到給定目標(biāo)下最優(yōu)導(dǎo)航路徑和行駛策略[14-15]。以前文的數(shù)據(jù)分發(fā)應(yīng)用架構(gòu)和分發(fā)模型為基礎(chǔ),本章對(duì)關(guān)鍵功能導(dǎo)航規(guī)劃的實(shí)現(xiàn),進(jìn)一步闡述高精度地圖數(shù)據(jù)在應(yīng)用實(shí)現(xiàn)時(shí)的解析、傳輸、重構(gòu)過(guò)程。

導(dǎo)航規(guī)劃實(shí)際是高精度地圖接受導(dǎo)航電子地圖發(fā)送的由駕駛員設(shè)置的目的地信息進(jìn)行路徑規(guī)劃的過(guò)程,包括對(duì)車(chē)輛當(dāng)前位置的探測(cè)和下一時(shí)刻位置的預(yù)測(cè)。當(dāng)完成車(chē)輛定位后,采用分層尋路的方式,先由導(dǎo)航電子地圖數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)全局最優(yōu)的尋路,再通過(guò)道路和車(chē)道之間的協(xié)同對(duì)應(yīng)關(guān)系、權(quán)值信息,計(jì)算出車(chē)道級(jí)路徑規(guī)劃,最后將車(chē)道級(jí)路徑規(guī)劃傳輸?shù)接蚩刂破?輔助進(jìn)行局部路徑規(guī)劃[16]。因此分發(fā)引擎需分發(fā)道路級(jí)的層級(jí)式路徑以及其車(chē)道級(jí)擴(kuò)展,以滿(mǎn)足對(duì)周邊交通環(huán)境快速的宏觀評(píng)估,也需要自車(chē)前后一定距離進(jìn)行精確的微觀識(shí)別需求。當(dāng)未接收駕駛員設(shè)置的目的地信息時(shí),分發(fā)引擎把Path1、Path2、Path3全部封裝在路徑控制消息中,諸如車(chē)道數(shù)、幾何形狀、曲率等沿路徑的特征作為路徑屬性全部封裝在屬性消息中,重構(gòu)引擎EHR判斷本地是否存在該集合的路徑和對(duì)應(yīng)屬性,選擇創(chuàng)建、更新還是刪除,但始終保持一定滑動(dòng)距離窗口,確保自車(chē)前后一定距離數(shù)據(jù)的可用性,支持自動(dòng)駕駛系統(tǒng)精確的微觀識(shí)別[17-19]。

基礎(chǔ)消息體在導(dǎo)航規(guī)劃功能實(shí)現(xiàn)時(shí)所需分發(fā)的內(nèi)容如表2所示。在全局元數(shù)據(jù)消息中,必須定義說(shuō)明國(guó)家代碼、地區(qū)代碼、時(shí)區(qū)、駕駛方向、單位定義等屬性說(shuō)明數(shù)據(jù);在屬性消息中,必須包含前述的路徑、偏移量、道路模型、車(chē)道模型、所在車(chē)道、車(chē)道基礎(chǔ)設(shè)施、動(dòng)態(tài)信息等路網(wǎng)空間綜合描述數(shù)據(jù);在位置消息中,必須包含前述的時(shí)間戳、所在路徑編號(hào)、偏移量、映射置信度等;屬性控制消息和路徑控制消息則通過(guò)路徑的父子關(guān)系及路徑偏移量等分別定義路徑和各類(lèi)屬性的在分發(fā)時(shí)的生命周期及同步機(jī)制[20-21]。

表2 圖基本分發(fā)內(nèi)容

4 結(jié)束語(yǔ)

高精度地圖是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛車(chē)輛在各種復(fù)雜環(huán)境安全行駛的關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施之一。本文圍繞高精度地圖數(shù)據(jù)分發(fā)的應(yīng)用架構(gòu)、數(shù)據(jù)分發(fā)模型表達(dá)以及導(dǎo)航規(guī)劃功能實(shí)現(xiàn)時(shí)的基本分發(fā)內(nèi)容進(jìn)行了詳細(xì)闡述。高精度地圖數(shù)據(jù)與自動(dòng)駕駛應(yīng)用開(kāi)發(fā)間具有解析、傳輸、重構(gòu)的一般過(guò)程,數(shù)據(jù)分發(fā)引擎是該過(guò)程中實(shí)現(xiàn)地圖語(yǔ)言轉(zhuǎn)換為汽車(chē)語(yǔ)言的關(guān)鍵步驟,對(duì)于分發(fā)的數(shù)據(jù)邏輯結(jié)構(gòu)和基本內(nèi)容需要兼顧自動(dòng)駕駛宏觀與精微層面的不同應(yīng)用需求。然而高精度地圖與自動(dòng)駕駛應(yīng)用層開(kāi)發(fā)之間的協(xié)同應(yīng)用研究跨越傳統(tǒng)測(cè)繪、計(jì)算機(jī)和汽車(chē)電子等眾多領(lǐng)域,其研究?jī)?nèi)容遠(yuǎn)不至于此,如分發(fā)數(shù)據(jù)的安全性,統(tǒng)一接口服務(wù)能力(車(chē)內(nèi)、車(chē)際、車(chē)云)等問(wèn)題亟待研究和突破,在實(shí)際應(yīng)用中為了獲得更優(yōu)的運(yùn)行性能從而豐富ADAS應(yīng)用,也需平衡車(chē)內(nèi)通信網(wǎng)絡(luò)的帶寬限制與待傳輸消息序列內(nèi)容的問(wèn)題,盡可能避免提供不必要的數(shù)據(jù)。

為加快我國(guó)高精度地圖相關(guān)產(chǎn)業(yè)研發(fā)與商業(yè)化進(jìn)程,我國(guó)相繼出臺(tái)了一系列政策措施:在國(guó)家發(fā)改委、工信部等11部委聯(lián)合印發(fā)的《智能汽車(chē)創(chuàng)新發(fā)展戰(zhàn)略》提出開(kāi)發(fā)標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一的智能汽車(chē)基礎(chǔ)地圖,提供實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)服務(wù)的發(fā)展目標(biāo);在《智能網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)技術(shù)路線圖2.0》中全面梳理和修訂了智能網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)技術(shù)架構(gòu)和體系,明確了高精度地圖是智能網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)“三縱三橫”技術(shù)架構(gòu)的基礎(chǔ)支撐關(guān)鍵技術(shù)之一;國(guó)家地理信息管理司也進(jìn)一步推進(jìn)“放管服”政策,就現(xiàn)行法律法規(guī)限制技術(shù)發(fā)展情況,對(duì)于數(shù)據(jù)采集、信息表達(dá)合規(guī),保密技術(shù)處理、審圖流程等方面,提出了審慎監(jiān)管、先行先試的開(kāi)放解決思路?？梢灶A(yù)見(jiàn),伴隨著政策開(kāi)放、5G通信低時(shí)延大帶寬的巨大推動(dòng)作用,自動(dòng)駕駛的研究重點(diǎn)將從單車(chē)智能逐步傾斜于車(chē)路協(xié)同,高精度地圖的服務(wù)支撐功能將進(jìn)一步發(fā)揮關(guān)鍵作用。