為什么自動駕駛要做“預(yù)測”

[首發(fā)于智駕最前沿微信公眾號]自動駕駛汽車要安全行駛，光知道眼前有什么還不夠，更重要的是能預(yù)判接下來會發(fā)生什么。打個(gè)比方，開車的人不僅看前方的車位，還會判斷那輛車是不是要并線、那個(gè)行人是不是準(zhǔn)備過馬路。自動駕駛也是這樣，如果只是把物體的位置和速度報(bào)出來，規(guī)劃器就只能被動反應(yīng)，容易出現(xiàn)緊急制動、急拐或讓乘客覺得不舒服等情況。預(yù)測的核心價(jià)值是把“可能發(fā)生的未來”提前告訴決策層，讓車能提前準(zhǔn)備，從而做出提前減速、放棄變道或慢慢避讓等決策，從而把突發(fā)情況變成可控事件。

預(yù)測不僅僅是讓自動駕駛系統(tǒng)可以思考，預(yù)測的時(shí)間尺度也很重要。像是未來1s~2s的短時(shí)間的預(yù)測，多半是根據(jù)當(dāng)前速度和方向往前延伸就能大致估計(jì)，這是為了避免追尾等即時(shí)風(fēng)險(xiǎn)；而三到六秒、甚至十秒的預(yù)測，則需要理解對方的意圖，比如前方車輛是不是要進(jìn)出口匝道，對面的騎車人是不是要拐彎。這兩類預(yù)測用到的技巧不一樣，短期更多靠物理和濾波，長期則要靠對道路語義和人車互動的理解。預(yù)測不是可選項(xiàng)，而是把“看見”變成“懂得可能發(fā)生什么”的必要能力。

自動駕駛是怎么做預(yù)測的？

想要讓自動駕駛汽車做好預(yù)測，首先得有靠譜的輸入。攝像頭、雷達(dá)、激光雷達(dá)會把周圍的物體“看”出來，然后跟蹤模塊把同一個(gè)目標(biāo)在時(shí)間上連成軌跡，告訴系統(tǒng)這個(gè)目標(biāo)現(xiàn)在在哪兒、速度多快、朝哪個(gè)方向。高精度地圖在這個(gè)環(huán)節(jié)中的作用也很關(guān)鍵，高精度地圖能告訴系統(tǒng)車道在哪兒、路口怎么連、哪里有人行橫道，這些信息可以把未來的可能性大幅縮小。沒有穩(wěn)定的跟蹤和時(shí)間同步，預(yù)測的基礎(chǔ)就不牢。

想實(shí)現(xiàn)預(yù)測，其實(shí)有幾類比較直觀的辦法。最簡單的是把車輛或者行人當(dāng)作遵循物理規(guī)律在走的“物體”，用當(dāng)前速度和加速度往前推幾步，這種做法快、穩(wěn)，短時(shí)間內(nèi)的決策通常夠用。還有一種叫概率/濾波的方法，會把不確定性考慮進(jìn)去，用數(shù)學(xué)工具維護(hù)“可能狀態(tài)”的分布，在遇到傳感器噪聲或遮擋時(shí)會更穩(wěn)。第三種是靠數(shù)據(jù)學(xué)出來的方法，也就是現(xiàn)在比較火熱的深度學(xué)習(xí)。它們把歷史軌跡、地圖信息、周圍車輛的行為一股腦兒丟進(jìn)模型，學(xué)習(xí)從復(fù)雜場景里直接輸出“未來可能的幾條軌跡”。這些學(xué)習(xí)方法能捕捉到禮讓、并線、繞行等策略性行為，但需要大量數(shù)據(jù)來訓(xùn)練。

當(dāng)然，在實(shí)際的交通環(huán)境中，交通參與者并不只會做一個(gè)的動作，比如在十字路口，一輛車可能直行也可能左轉(zhuǎn)，這就是所謂的多模態(tài)。因此在預(yù)測技術(shù)中，通常不會只給一條“最可能”的路，而是給幾條帶概率的候選軌跡，或者直接給出一個(gè)軌跡的概率分布。這樣做的好處是規(guī)劃器可以基于概率來做風(fēng)險(xiǎn)權(quán)衡，某條軌跡雖然最可能，但另一條低概率但高風(fēng)險(xiǎn)的軌跡會導(dǎo)致碰撞，系統(tǒng)就會選擇更保守的策略。與此同時(shí)，預(yù)測系統(tǒng)還要把模型沒見過的情況區(qū)分出來，也就是模型不確定性。如果模型對當(dāng)前場景信心不足，系統(tǒng)應(yīng)該主動變得保守，比如執(zhí)行減速或請求人工接管的動作。

自動駕駛系統(tǒng)在預(yù)測時(shí)還有一個(gè)很關(guān)鍵的問題就是互動，路上的參與者會互相影響。比如準(zhǔn)備變道的車會觀察旁邊車的速度，旁邊車的反應(yīng)又會影響它的決策。把每個(gè)目標(biāo)獨(dú)立預(yù)測通常會出問題，尤其是在人多、車多的城市路段，每個(gè)目標(biāo)獨(dú)立預(yù)測通常沒有什么意義。因此現(xiàn)在常用的方法會把周邊對象的信息“聚合”起來，學(xué)習(xí)他們之間如何相互影響。有的用注意力機(jī)制把影響大的對象加權(quán)，有的把道路和車輛抽成圖結(jié)構(gòu)，用圖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來傳播影響信息?？傊?，交互建模是讓預(yù)測更貼近真實(shí)行為的關(guān)鍵一步。

想要讓預(yù)測技術(shù)應(yīng)用到實(shí)際，其實(shí)還有一個(gè)細(xì)節(jié)是如何表示這些信息。早期很多系統(tǒng)把場景渲染成鳥瞰的格子圖像（BEV），再用卷積網(wǎng)絡(luò)處理，這種方式直觀，但對表達(dá)長距離道路拓?fù)洳粔蚋咝?。最近更流行把車道、路口這些用向量方式表示，結(jié)合圖網(wǎng)絡(luò)或基于矢量的Transformer，既節(jié)省計(jì)算又更符合道路的結(jié)構(gòu)。在實(shí)際應(yīng)用中多選擇模塊化方案，即感知先把結(jié)構(gòu)化信息（物體、軌跡、地圖語義）產(chǎn)出來，預(yù)測模塊再用這些干凈的輸入做判斷，這樣利于驗(yàn)證和可解釋。

把預(yù)測放到真實(shí)車上有何實(shí)際難題？

把一個(gè)預(yù)測模型從實(shí)驗(yàn)室放到真車上，將會有很多問題。第一個(gè)是延遲，模型越復(fù)雜推理越慢，延遲會侵蝕決策時(shí)間窗，影響能否及時(shí)應(yīng)對突發(fā)情況。第二個(gè)是算力，車上的計(jì)算資源有限，必須在精度和速度間取舍。第三個(gè)是驗(yàn)證，光看預(yù)測模型訓(xùn)練時(shí)的誤差指標(biāo)完全不夠，必須把預(yù)測器放到整個(gè)感知—預(yù)測—規(guī)劃—控制的閉環(huán)里做仿真和路測，看看在預(yù)測出錯(cuò)時(shí)整車系統(tǒng)是否還能保證安全。這種閉環(huán)評估比單獨(dú)看軌跡誤差更能發(fā)現(xiàn)真實(shí)風(fēng)險(xiǎn)。

對于預(yù)測模型來說，數(shù)據(jù)很重要但也很難。大多數(shù)危險(xiǎn)的場景一般不會出現(xiàn)，真實(shí)道路上很難收集到足夠多的樣本。為了解決這個(gè)問題，在很多技術(shù)實(shí)現(xiàn)中會通過仿真合成或放大這些長尾場景來訓(xùn)練和驗(yàn)證，或者是做場景挖掘，把真實(shí)數(shù)據(jù)里出現(xiàn)的復(fù)雜場景抽出來作為重點(diǎn)測試用例。當(dāng)然那，在這一環(huán)節(jié)中，標(biāo)注也不能馬虎，軌跡標(biāo)簽要時(shí)間對齊、定位準(zhǔn)確，否則模型會學(xué)到錯(cuò)的規(guī)律。

預(yù)測模型在運(yùn)行時(shí)還需要有明確的守護(hù)策略。預(yù)測模塊要跟規(guī)劃模塊約定好接口，比如候選軌跡的數(shù)量、置信度怎么表達(dá)、當(dāng)置信度低時(shí)采取的默認(rèn)動作等。自動駕駛系統(tǒng)還要能檢測輸入分布漂移，如果當(dāng)前遇到的場景和模型訓(xùn)練時(shí)差別很大，系統(tǒng)應(yīng)該自動觸發(fā)更保守策略。很多事故并不是單一模塊出錯(cuò)，而是模塊之間對風(fēng)險(xiǎn)的理解不一致導(dǎo)致的連鎖反應(yīng)，所以接口和降級策略的設(shè)計(jì)要在系統(tǒng)層面就考慮清楚。

最后的話

預(yù)測前方交通環(huán)境既是科學(xué)問題也是系統(tǒng)工程問題。它結(jié)合了物理規(guī)律、概率理論與大規(guī)模數(shù)據(jù)驅(qū)動方法，同時(shí)必須通過嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓こ舔?yàn)證與運(yùn)行時(shí)守護(hù)來保證安全。一個(gè)既能輸出多模態(tài)候選又能提供可信置信度、并和規(guī)劃器協(xié)同做風(fēng)險(xiǎn)加權(quán)決策的預(yù)測—規(guī)劃閉環(huán)，才是真正具備落地能力的解決方案。