高精地圖數據應用分發引擎建設實踐

1. 什麼是高精數據分發引擎

1.1 高精地圖概述

高精地圖(High Definitation Map,HD MAP)，和普通導航電子地圖的主要區別是精度更高、信息更豐富。精度更高主要體如今高精地圖的絕對座標精度更高(指的是地圖上某個目標和外部的真實世界事物所在位置之間的精度)，能夠精確到釐米級別；信息更豐富主要體如今高精地圖不只包含了道路信息，還涵蓋了幾乎全部與交通相關的周圍靜態信息。

相比於普通導航電子地圖，高精度地圖所包含的道路交通訊息更豐富和準確。除此之外，在應用場景方面，普通導航地圖主要供駕駛員使用，而高精度地圖是面向機器的、供自動駕駛汽車使用的地圖。

精度是高精度地圖與普通導航電子地圖的最大區別。普通車載電子導航地圖的精度通常在10米左右，高精度地圖應用在自動駕駛領域，須要精肯定位到具體某條車道上，還須要知道周圍全部可能參與自動駕駛決策的道路和交通訊息，精度須要達到10~20釐米，這樣的精度基本上和一個車道邊線的寬度差很少，才能保證智能駕駛的汽車不會跨越到其餘車道，避免與其餘車輛發生側面碰撞的風險。

普通導航電子地圖要描繪出道路（link），而高精度地圖不只要描繪道路，還會描繪出一條道路上有多少條車道（lane），真實地反映出道路的實際樣式。

高精度地圖信息更豐富主要體如今如下幾個方面：

準確的道路形狀：每條車道的坡度、曲率、航向、高程，側傾的數據。

詳細的車道線信息：車道之間的車道線是虛線、實線仍是雙黃線，線的顏色，道路隔離帶，隔離帶的材質都會有描述。

此外，人行橫道，道路沿線看板，限速標誌，紅綠燈，路邊電話亭等等，這類一般統稱爲LandMark Object的絕對地理座標，物理尺寸以及他們的特質特性等也都會出如今高精度數據中。

1.2 高精數據分發引擎

ADAS(Advanced Driver Assistant System,高級駕駛輔助系統)應用須要用車輛前方路網及屬性數據信息用於決策控制及判斷，普通數字地圖數據一般僅供導航系統使用，但高精地圖數據可供車輛內的其餘ADAS應用使用，所以須要依賴高精數據及用於高精數據播發的高精數據分發引擎。

ADASIS(ADAS接口規範)定義了「ADAS電子地平線」的概念，「ADAS電子地平線」表達了車輛前方的路網及路網屬性信息。爲了實現這種表達方式，咱們須要構建車輛的位置模型以及車輛前方路網的各個可能行駛的道路模型，能夠經過一個樹狀的層次結構來表達可通行的道路。此外，道路的幾何形狀及相關屬性也會創建相關的屬性模型來表達。「ADAS電子地平線」數據經過車載以太網絡來序列化及傳輸。

1.3 名詞解釋

ADAS(Advanced DriverAssistance System)

即高級駕駛輔助系統，利用車載傳感器感知車輛環境，並融合計算，預先讓駕駛者察覺可能發生的危險，有效提高車輛駕駛的安全性、經濟性和溫馨性。

ADASIS(Advanced DriverAssistance System Interface Specification)

ADAS論壇制定的行業國際標準，用於規範地圖數據和車輛ADAS應用之間交換地圖數據的標準接口協議。

AHP(ADAS Horizon Provider)

即高精數據分發引擎，爲ADAS應用提供超視距的前方道路和數據信息。

AHR(ADAS Horizon Reconstructor)

用於解析AHP發出的消息並重建地圖數據，供終端ADAS應用模塊使用。

2. 爲何須要高精數據的分發引擎

高精數據分發引擎做爲高精數據及ADAS應用的橋樑，其價值總結下來有如下幾個方面：

• 自動駕駛遠程視距的須要，高精地圖做爲自動駕駛的地圖傳感器，能夠提供更可靠的超視距範圍，支持更可靠的決策判斷。
• 精度提升的須要，由導人到導車的轉變使得對精度要求提升了。
• 高精地圖數據分發的接口標準化。

3. 高精數據分發引擎的建設

3.1 高精數據分發引擎與ADAS應用的關係

數據分發引擎涉及到如下幾個部分組成及交互：

• AHP
• AHR
• ADASIS V3 Protocol
• ADAS應用，詳見上圖的終端應用部

3.2 高精數據分發引擎架構

高精數據分發引擎由多個層級組成，包括引擎層、協議組織層、系統適配層，相關的平臺及工具支撐以下圖所示：

• 引擎層：高精數據的加載，解析及車道路網數據的組織。
• 協議層：主要將引擎層提供的數據組裝協議消息，並向適配層傳遞分發。
• 適配層：主要負責和系統對接及交互，並將組織的協議數據分發給ADAS應用。

3.4 高精數據分發引擎的模型表達

3.4.1 路網模型的抽象及表達

數據分發引擎的路網模型包含三層的模型抽象，首先經由現實世界模型抽象成高精路網模型，再由高精路網模型進一步組織及劃分抽象爲Path及Offset表達的樹狀模型。

• 現實世界的抽象模型的表達

• 數字化地圖模型及用戶設置的導航路徑，地圖要素的表達

• 在數據化地圖模型的車輛位置及路網表達

• 在車輛位置附近的路網模型經過links來表達路網之間的鏈接關係。在數字地圖數據庫中，道路網表示爲一組鏈接和定義連接之間的節點組成。

• 從ADAS應用角度來看，對車輛後方的路網並不關心，所以數據分發引擎由車輛前方的路網組成。

• 將車輛前方路網按Path來組織，每一個Path是一組link的集合。車前方的路網數據能夠經過兩種算法來表達。

簡單Path方式，從車所在link開始，每一個能夠通行的路徑都獨立表達爲Path.

優化路徑組織方式，這種方式減小了數據冗餘，也能夠完整表達車輛前方的路網數據。

所以，數據分發引擎根據車輛前方及其周圍環境的路網形狀描述爲不一樣路徑和地圖數據屬性的集合，組成預測樹。這個預測樹由多條路徑鏈接而成，每一條路徑表明一部分道路，及道路與道路之間的交叉點。

一旦車輛移動更改其位置時，預測視圖也會更改，一些車後方的的路徑可能會被刪除，或車前方的路徑可能會添加新的。路徑的特徵表達爲一組屬性，如高速及城快路網自己包括的車道數、幾何形狀、曲率等。屬性在路徑上的位置用一組偏移值表示，偏移值是一種距離標記，經過定義沿路徑自己的絕對距離，以釐米表示。一條路徑的原點是零偏移值點，屬性的偏移值表示屬性自己和路徑原點之間的距離。若是路徑是新開始的而且沒有父路徑，則偏移值0點爲車輛所在的起始位置。

3.4.2 高精數據分發引擎的屬性模型

數據分發引擎的屬性模型數據來源於高精路網上的屬性信息，定義爲沿着Path表達，並定義在Path上的位置，經過Offset來表達。例如，速度限制屬性爲路徑上的點提供速度限制值。

屬性模型根據插值類型能夠分爲如下三種不一樣的類型，即Spot, Step, Linear類型

Spot類型的屬性只有在Path內某一給定的Offset位置有效，屬性的不一樣由不一樣的Offset位置來表達。例如交通燈能夠定義爲Spot類型的屬性，由於能夠被表達爲Path內某一位置存在這個點屬性

Step類型的屬性定義爲到下一屬性的Offset位置處一直有效。屬性表達爲Path上的Offset到EndOffset區間範圍內的值。

如上圖所示例子中，Path長度爲200。速度限制80是總體有效，從Offset 0點到200。從偏移量50和100開始有兩個限速值。所以整個圖上屬性分佈以下：

• 偏移量0：開始限速值80。
• 偏移量50：引入雨天限速值60，限速80的屬性繼續。
• 偏移量100：重複速度限制80，新增霧天限制50，雨天的限速60結束。
• 偏移量150：重複速度限制80，霧天的速度限制50結束。

Linear類型的屬性定義爲在給定的位置間進行線性差值表達。

線性插值型屬性不是連續表達的，在同一個Offset處，左邊的值和右邊的值是不一樣的，屬性模型用如下方式來表達這種不連續的屬性值。

• 在Offset處，存儲一個屬性，值存儲左邊的屬性值，EndOffset爲0。
• 在同一個Offset存儲一個屬性，值存儲右邊的屬性值，但EndOffset > Offset

3.4.3 車的位置信息模型

在數據分發引擎中，車的位置信息能夠經過Path, Offset來表達。在不肯定狀況下，車的位置可能存在於多個Path上，所以須要用一個集合來描述車的位置信息。經過車位置信息能夠表達如下信息：

• 車信息是否脫離了數據區域。
• 車信息是否匹配到了Path的數據範圍。
• 車信息是否匹配到了個多個Path上。
• 車信息是否進入及離開了數據區域範圍。

車位置信息的TimeStamp值表達了接收到傳感器信息的時間時刻值。

車的位置信息還能夠表達前方更可能選擇的Path路徑。

如上圖中左邊可能選擇的路徑是P1, 右圖爲P3。

3.4.4 高精數據分發引擎與接收端的同步機制

數據分發引擎經過pathControl消息來同步AHP及AHR之間的路網Path數據。

• 當pathControl消息不包含某一Path時，AHR收到消息後刪除路網中的Path。
• 當pathControl消息和上次維持不變時，AHR收到消息後維持當前路網不變。
• 當pathControl消息增長了某一Path時，AHR收到消息後增長Path信息

經過profileControl同步屬性數據。

3.4.5 高精數據分發引擎與接收端的交互機制

數據分發引擎(AHP)與接收端（AHR）有如下幾種交互機制：

• 廣播方式
• 請求/提供方式
• 訂閱/發佈模式

目前高精數據分發引擎建設時採用的是「請求/提供」方式，AHP向AHR發送 ADAS message, AHR能夠請求及反饋信息。

3.4.6 輔助AHP及ADAS應用融合

3.4.6.1 主AHP及輔助AHP

ADASIS協議中並非全部的數據都由數據分發引擎提供，也能夠增長輔助的AHP引擎。輔助的AHP引擎能夠發送傳感器信息或傳感器的融合信息。

造成的主數據分發引擎及輔助的AHP引擎。

3.4.6.2 ADAS應用的兩種融合方式

根據主AHP及輔助AHP引擎，能夠實現2種ADAS應用的融合方式，即下游融合及上游融合。

下游融合

在AHP端不作融合處理，經過通訊方式把各個傳感器數據及高精地圖數據傳給AHR端，進行融合的處理，而後再傳給ADAS功能應用。

上游融合

在AHP端作融合處理，將融合結果經過協議傳給AHR處理，直接做用於ADAS功能。

4. 質量建設

爲了保證軟件質量，高精數據分發引擎建設中採用了以下技術手段：

• 單元測試
• 功能測試
• 質檢工具

可視化工具

• 可視化工具截圖

5. 典型架構應用形態

根據高精數據分發引擎構架能夠分爲如下的幾種集成形態：

5.1 數據分發引擎（即EHP引擎）集成在地圖盒子內

地圖盒子概念

用於承載「地圖數據+高精定位」能力的車規級軟硬一體化產品，有別於純軟件的產品形態。(如下名稱都指高精地圖盒子：定位盒子/MAP ECU/MAP BOX/HDLM...其中L:Localization M:Module)

包含內容

• 地圖及相關應用：HD數據、AHP、定位、OTA...
• 基礎軟件：系統、底層驅動、診斷...
• 基礎硬件：系統級芯片（SoC）、內存、存儲、IMU(可選)，保護殼體...
• 網絡及通信接口：CAN/以太輸入、以太輸出、USB接口...

方案特色

任務分工清晰：車企能將以這種架構將功能拆解爲小模塊，分別提出產品要求進行管控，避免全黑盒方案無從下手。遇到交付風險時能夠替換供應商。

功能安全方面的考慮：芯片選型、硬件設計、網絡安全、系統診斷等細節工做能夠交給專業的供應商；地圖質量、在線更新以及回傳等功能安全層級存在不肯定性、須要與AD ECU隔離開，以使AD ECU知足功能安全要求。

便於高配低配等產品管理：可選用供應商的不一樣配置的產品。

減輕域控制器的算力負擔：便於尋找知足算力要求的功能安全硬件。

5.2 集成在IHU內

方案特色

下降成本：不須要額外採購硬件模塊。

集成V2方案、下降不肯定性：AHP V2大多在車機端，方案已跑通，因此將地圖和V3採用類似的方式能夠規避新架構的不肯定性。

車企內部緣由容易推動：部分車企，高精地圖業務規劃導航地圖部門，若自下而上推動盒子方案，對總體架構改動較大，很難推動。

5.3 集成在域控制器內

方案特色

減小跨域通訊對車載網絡帶寬的佔用：用於感知的傳感器大多與域控制器相連，若是將地圖及定位放在域控制器，後端應用不須要跨域通訊就能夠直接或間接使用地圖，減小對於車載網絡帶寬的佔用。

更適用於走自研路線及選用總體方案的車企：對於走自研路線的車企，以及選用單一方案商提供完整方案，沒有必要將功能模塊分開部署。

6. 場景應用舉例

6.1 高精定位應用

結合高精數據輔助進行橫向定位及縱向定位。

縱向定位多結合路牌obj、車道幾何等相關信息，橫向定位多結合車道線、護欄等相關信息。

主動安全應用多結合傳感器(毫米波雷達、攝像頭)信息和地圖數據進行匹配糾偏，從而提高定位精度。

6.2 高速自動駕駛(HWP)

功能激活

駕駛環境主要依賴地圖判斷：(1)高速城快；(2)車道線清晰；(3)曲率坡度；(4)無引起報警或制動的物體或事件：包含動態道路環境；(5)非夜晚，天氣情況良好(能見度200米以上)。

實現功能

以本車道巡航橫向控制及異常場景本車道自主停車爲例：

• 車道類型：自動駕駛依靠車道類型來劃分可行駛區域，若是類型錯誤會致使車輛行駛在非行駛區域，會給自車帶來安全隱患；同時在自主安全停車的場景中，若是車道類型錯誤會直接致使自主安全停 車的的自主性和安全性。
• 車道線類型：輔助攝像頭進行車道線線型識別；和攝像頭進行對比檢查，進而進行車道保持。

6.3 基於導航路線自動巡航

功能激活

工況環境依賴地圖判斷：

• 道路等級：高速/城塊。
• PartOfcalculateRoute(導航路徑標識)是否連續無斷開。
• 天氣類型:晴天/小雨/陰天等天氣情況下，容許功能激活。

實現功能

• 上/下JCT，會根據導航路徑標識和車輛前方路網判斷是否上/下JCT，並提早對變道匝道側進行提醒。
• 自動變道進入JCT/合入高速，會根據車道線線型輔助攝像頭進行車道線線型識別，並和攝像頭進行檢測對比，線型的虛實判斷車輛變道的時機。

7. 將來演進

一方面，考慮進一步融合AHP V2,V3的架構設計，更好的輔助自動駕駛。此外，做爲數據閉環的一部分，豐富數據提供及回收能力等。