顧穎虹

(中移(上海)信息通信科技有限公司, 上海 201206)

0 引言

自動駕駛是汽車與交通領(lǐng)域的顛覆性技術(shù),是新一代移動通信技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)、人工智能技術(shù)等先進技術(shù)與汽車產(chǎn)業(yè)深度融合的產(chǎn)物,對于促進社會經(jīng)濟、科技、安全發(fā)展,帶動國家制造業(yè)和汽車產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型升級具有重要意義[1-2]。高精度地圖(High Definition Map),又稱自動駕駛地圖,是面向機器(智能汽車控制系統(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)。高精度地圖的絕對精度普遍認(rèn)為在5～20 cm之間,并且三維表征車道級道路空間信息,能夠以云邊協(xié)同、車路協(xié)同等方式實現(xiàn)信息加載,輔助車輛感知、定位、規(guī)劃與控制,滿足智能時代多種高層次的應(yīng)用需求[3]。

自2016年特斯拉ModelS在開啟自動駕駛模式下發(fā)生交通事故以來,各大主機廠認(rèn)識到單純依靠激光雷達、攝像頭等車身傳感器的方案存在局限性,行車安全無法保障,L3級別以上的自動駕駛功能實現(xiàn)必須引入高精度地圖,將其作為虛擬傳感器,拓展車身傳感器的性能邊界[4]。此外,高精度地圖不僅應(yīng)用在自動駕駛領(lǐng)域,同時也可進一步構(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,受新冠肺炎疫情的影響,京東、美團、新石器慧通(NEOLIX)等公司先后將無人消毒車、無人送貨車投入一線使用,高精度地圖作為無人車在示范區(qū)內(nèi)公開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,國內(nèi)已有30家單位獲得導(dǎo)航電子地圖甲級測繪資質(zhì),以期在高精度地圖領(lǐng)域獲得業(yè)務(wù)發(fā)展先機,其中以高德、百度(長地萬方)、四維圖新為代表,也不乏互聯(lián)網(wǎng)頭部企業(yè)和初創(chuàng)新勢力。

雖然高精度地圖受到測繪行業(yè)、汽車電子行業(yè)等學(xué)者的密切關(guān)注,但其研究存在以下現(xiàn)象:①從文獻分析角度看,總體研究深入不夠,表現(xiàn)在科普性的宣傳報道文獻較多;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,從自動駕駛應(yīng)用開發(fā)角度探討高精度地圖的協(xié)同應(yīng)用相對較少;③數(shù)據(jù)邏輯結(jié)構(gòu)則側(cè)重于從動靜態(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駕駛應(yīng)用的實現(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個方面,探討高精度地圖數(shù)據(jù)在車端應(yīng)用實現(xiàn)中解析、傳輸、重構(gòu)的過程,從而對高精度地圖數(shù)據(jù)在自動駕駛方面的應(yīng)用方式進行梳理。

1 地圖數(shù)據(jù)分發(fā)應(yīng)用架構(gòu)

自動駕駛系統(tǒng)可依托高精度地圖將復(fù)雜環(huán)境進行解構(gòu),把人性化的社會規(guī)則轉(zhuǎn)換為車輛能夠理解的方式進行傳遞,從而降低或優(yōu)化分配自動駕駛系統(tǒng)在實現(xiàn)遠(yuǎn)視距環(huán)境感知時對其他車身傳感器的依賴[7-8]。分布式的汽車電子電氣架構(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,高精度地圖將會以獨立模塊存在,直接嵌入在中央域控制單元。但無論哪種方式,都需將地圖語言轉(zhuǎn)換成汽車語言,即將原始高精度地圖數(shù)據(jù)進行有效的分析分解后形成自動駕駛中央域控制器可用的數(shù)據(jù)。在此內(nèi)部數(shù)據(jù)傳輸過程中,遵循高級駕駛輔助系統(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)的問題[9]。

當(dāng)高精度地圖數(shù)據(jù)以一定形式分發(fā)至車內(nèi)以太網(wǎng)或控制器局域網(wǎng)(controller area network,CAN)總線時,自動駕駛中央域控制單元如何對該高精度地圖信息進行利用是要處理的問題,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。類似于其他車身傳感器數(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)來源是本地地圖數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)和車輛定位傳感器的數(shù)據(jù),車身其他視覺傳感器的感知數(shù)據(jù)是作為輔助數(shù)據(jù)輸入,更新或補充車輛當(dāng)前位置的電子地平線消息。各ADAS應(yīng)用程序監(jiān)聽以太網(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)的單個或多個電子地平線消息數(shù)據(jù),最終完成各項應(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,在一些車身傳感器感知性能下降或失效的情況下,依舊可在一定時間內(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,電子地平線是表達車輛前方的道路及道路屬性信息,也是自動駕駛系統(tǒng)應(yīng)用開發(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、屬性等基本實體。由于地圖數(shù)據(jù)使用者切換至車輛控制系統(tǒng),用于分發(fā)的數(shù)據(jù)模型和常見的導(dǎo)航電子地圖表達有所不同,本章分別從路網(wǎng)模型表達、屬性模型表達、自車位置模型表達3個方面進行梳理。

路網(wǎng)模型?，F(xiàn)實道路一般涉及描述和計算兩個作用,數(shù)據(jù)分發(fā)時需側(cè)重于計算,要求有明確的綜合性。從自動駕駛功能應(yīng)用實現(xiàn)角度,最需要檢索獲取的是車輛前方合理時間內(nèi)可訪問的路段及相關(guān)屬性,對于車輛后方的路網(wǎng)信息并不關(guān)注。因此,用于分發(fā)的路網(wǎng)模型是由車輛為中心的層級式最可能路徑(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)實世界抽象表達成高精度路網(wǎng)模型,再由高精度路網(wǎng)模型進一步組織、優(yōu)化抽象為路徑表達的層級式樹狀模型。其中,第一步的目的是將現(xiàn)實世界復(fù)雜的道路環(huán)境轉(zhuǎn)化為簡單的抽象視圖,并能夠準(zhǔn)確地表示道路屬性。如圖2(a)所示,采用導(dǎo)航時代被廣泛應(yīng)用的節(jié)點(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切換為圖2(b)所示以機器為中心的表達方式。其構(gòu)建過程是根據(jù)車輛所在link,將車輛通過前方道路網(wǎng)絡(luò)的所有可能路徑表達為獨立Path,并進一步優(yōu)化路徑組織方式,如link 95因位于車輛后方,被視為無效路段而舍棄。圖2(c)則是車輛視角的最可能路徑集合,車輛未來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)勢在于車端應(yīng)用程序無須遍歷所有弧段、節(jié)點,便可獲得到達目的地的可選路由。

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

(c)車輛視角的路徑路網(wǎng)模型

屬性模型。道路除開空間綜合描述外,屬性表達對高精度地圖數(shù)據(jù)的車端應(yīng)用分發(fā)具有較大影響：①屬性數(shù)據(jù)項需能夠?qū)Φ缆愤M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、屬性插值類型、屬性值構(gòu)成。其中偏移量具體是指自車當(dāng)前位置距離后方關(guān)鍵點的距離,該相對量是通過兩個絕對值相減獲得。如圖3所示,屬性插值類型包括點值,范圍值,線性值3種類型。

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

具體屬性表達時,采用沿路徑的方式,通過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。諸如交通信號燈、桿狀物等附屬設(shè)施表達時可定義為點值類型的屬性,車道寬度可定義為范圍值類型,而各類限制信息因具有生效距離可定義為范圍值類型或線性值類型。

圖3 屬性插值類型示意圖

自車位置模型。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方式,在數(shù)據(jù)分發(fā)引擎中,自車位置的表達并非以經(jīng)緯度值的絕對表達,而是基于所在路徑的相對位置描述。其確定對車輛前方道路層級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,自車位置可能映射至一個或多個路徑中,因此,自車位置的表達由時間戳和包含有路徑、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,偏離值表達車輛絕對位置與匹配路徑的垂直距離,可作為具體自動駕駛系統(tǒng)是否啟用地圖數(shù)據(jù)的判斷依據(jù)。在該數(shù)組中,可進一步擴展其他屬性,如車速,航向、當(dāng)前車道、最優(yōu)可選路徑等。

表1 自車位置消息字段

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)道路級路徑規(guī)劃基礎(chǔ)上,結(jié)合車道模型并設(shè)計代價函數(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),本章對關(guān)鍵功能導(dǎo)航規(guī)劃的實現(xiàn),進一步闡述高精度地圖數(shù)據(jù)在應(yīng)用實現(xiàn)時的解析、傳輸、重構(gòu)過程。

導(dǎo)航規(guī)劃實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)置的目的地信息進行路徑規(guī)劃的過程,包括對車輛當(dāng)前位置的探測和下一時刻位置的預(yù)測。當(dāng)完成車輛定位后,采用分層尋路的方式,先由導(dǎo)航電子地圖數(shù)據(jù)實現(xiàn)全局最優(yōu)的尋路,再通過道路和車道之間的協(xié)同對應(yīng)關(guān)系、權(quán)值信息,計算出車道級路徑規(guī)劃,最后將車道級路徑規(guī)劃傳輸?shù)接蚩刂破?輔助進行局部路徑規(guī)劃[16]。因此分發(fā)引擎需分發(fā)道路級的層級式路徑以及其車道級擴展,以滿足對周邊交通環(huán)境快速的宏觀評估,也需要自車前后一定距離進行精確的微觀識別需求。當(dāng)未接收駕駛員設(shè)置的目的地信息時,分發(fā)引擎把Path1、Path2、Path3全部封裝在路徑控制消息中,諸如車道數(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應(yīng)屬性,選擇創(chuàng)建、更新還是刪除,但始終保持一定滑動距離窗口,確保自車前后一定距離數(shù)據(jù)的可用性,支持自動駕駛系統(tǒng)精確的微觀識別[17-19]。

基礎(chǔ)消息體在導(dǎo)航規(guī)劃功能實現(xiàn)時所需分發(fā)的內(nèi)容如表2所示。在全局元數(shù)據(jù)消息中,必須定義說明國家代碼、地區(qū)代碼、時區(qū)、駕駛方向、單位定義等屬性說明數(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、車道模型、所在車道、車道基礎(chǔ)設(shè)施、動態(tài)信息等路網(wǎng)空間綜合描述數(shù)據(jù);在位置消息中,必須包含前述的時間戳、所在路徑編號、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路徑的父子關(guān)系及路徑偏移量等分別定義路徑和各類屬性的在分發(fā)時的生命周期及同步機制[20-21]。

表2 圖基本分發(fā)內(nèi)容

4 結(jié)束語

高精度地圖是實現(xiàn)自動駕駛車輛在各種復(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)模型表達以及導(dǎo)航規(guī)劃功能實現(xiàn)時的基本分發(fā)內(nèi)容進行了詳細(xì)闡述。高精度地圖數(shù)據(jù)與自動駕駛應(yīng)用開發(fā)間具有解析、傳輸、重構(gòu)的一般過程,數(shù)據(jù)分發(fā)引擎是該過程中實現(xiàn)地圖語言轉(zhuǎn)換為汽車語言的關(guān)鍵步驟,對于分發(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駕駛應(yīng)用層開發(fā)之間的協(xié)同應(yīng)用研究跨越傳統(tǒng)測繪、計算機和汽車電子等眾多領(lǐng)域,其研究內(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(車內(nèi)、車際、車云)等問題亟待研究和突破,在實際應(yīng)用中為了獲得更優(yōu)的運行性能從而豐富ADAS應(yīng)用,也需平衡車內(nèi)通信網(wǎng)絡(luò)的帶寬限制與待傳輸消息序列內(nèi)容的問題,盡可能避免提供不必要的數(shù)據(jù)。

為加快我國高精度地圖相關(guān)產(chǎn)業(yè)研發(fā)與商業(yè)化進程,我國相繼出臺了一系列政策措施:在國家發(fā)改委、工信部等11部委聯(lián)合印發(fā)的《智能汽車創(chuàng)新發(fā)展戰(zhàn)略》提出開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一的智能汽車基礎(chǔ)地圖,提供實時動態(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“三縱三橫”技術(shù)架構(gòu)的基礎(chǔ)支撐關(guān)鍵技術(shù)之一;國家地理信息管理司也進一步推進“放管服”政策,就現(xiàn)行法律法規(guī)限制技術(shù)發(fā)展情況,對于數(shù)據(jù)采集、信息表達合規(guī),保密技術(shù)處理、審圖流程等方面,提出了審慎監(jiān)管、先行先試的開放解決思路?？梢灶A(yù)見,伴隨著政策開放、5G通信低時延大帶寬的巨大推動作用,自動駕駛的研究重點將從單車智能逐步傾斜于車路協(xié)同,高精度地圖的服務(wù)支撐功能將進一步發(fā)揮關(guān)鍵作用。