說說車路協(xié)同里的道路感知技術(shù)
過去四十年，從個(gè)人電腦，到PC互聯(lián)網(wǎng)，到移動互聯(lián)網(wǎng)再到云計(jì)算與人工智能，人類走出了信息技術(shù)與數(shù)字化發(fā)展波瀾壯闊的四十年，從文本、圖片、影像到數(shù)據(jù)傳感，人類竭盡所能，對各種信息進(jìn)行數(shù)字化，極大的便利了我們的生活。
這股火源于“新基建”，源于5G的全面落地，更源于勢不可擋的數(shù)字化浪潮。過去四十年，從個(gè)人電腦，到PC互聯(lián)網(wǎng)，到移動互聯(lián)網(wǎng)再到云計(jì)算與人工智能，人類走出了信息技術(shù)與數(shù)字化發(fā)展波瀾壯闊的四十年，從文本、圖片、影像到數(shù)據(jù)傳感，人類竭盡所能，對各種信息進(jìn)行數(shù)字化，極大的便利了我們的生活。
前百度總裁，現(xiàn)奇績創(chuàng)壇創(chuàng)始人陸奇博士前日在騰訊產(chǎn)業(yè)加速器畢加所發(fā)布會上的演講中提到，軟件將吞噬世界，隨著數(shù)字化進(jìn)程的推進(jìn)，數(shù)字世界和物理世界將深度融合，越來越多的人類活動將被數(shù)字化和自動化。
而國務(wù)院發(fā)布的“新基建”，本質(zhì)上就是數(shù)字化進(jìn)程進(jìn)一步推進(jìn)的新基建。
當(dāng)人類所有傳遞的信息，人類自身的興趣和交易都被數(shù)字化之后，人類就把數(shù)字化進(jìn)程伸向了物理空間和所有物理世界，當(dāng)我們把現(xiàn)實(shí)世界里盡可能多的狀態(tài)與存在都數(shù)字化了，就構(gòu)建成了數(shù)字孿生。
而車路協(xié)同的發(fā)端正是基于此，過去幾年，資本大量投向自動駕駛領(lǐng)域，希望通過單車智能實(shí)現(xiàn)自動駕駛，也就是通過車上配置各種傳感器，實(shí)現(xiàn)周邊環(huán)境的數(shù)字化，便于進(jìn)一步進(jìn)行AI的決策和處理，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)類人的自動駕駛。
遺憾的是，至少到今天，很多投入巨資研發(fā)的自動駕駛公司最后發(fā)現(xiàn)，單車智能并不能很好的解決問題，車載傳感器無法實(shí)現(xiàn)無死角的環(huán)境感知，而更要命的是交通本身就是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程問題，是車與車博弈，車與路協(xié)同的問題，除了車自己的感知能力，還需要一個(gè)“上帝之手”實(shí)現(xiàn)有限的道路資源對絡(luò)繹不絕的車輛進(jìn)行最優(yōu)化的分配，也就是說聰明的車，還要智慧的路。
如何打造智慧的路，其本質(zhì)就是對道路及相關(guān)基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行數(shù)字化，以便于車這個(gè)主體的“大腦”能結(jié)合這些數(shù)字化的信息進(jìn)行更高效的決策和控制。對道路需要用到的信號燈，指示牌等進(jìn)行數(shù)字化，已經(jīng)是一個(gè)極為成熟的物聯(lián)網(wǎng)話題，這個(gè)無需展開。
對于道路的物理結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)字化主要有高精度地圖，三維建模，BIM等基礎(chǔ)，目前也相對比較成熟。
最難的，就是對道路上的參與主體進(jìn)行實(shí)時(shí)的數(shù)字化，即道路的感知，也就是要對道路本身、道路環(huán)境進(jìn)行識別，對道路參與主體的位置、速度以及運(yùn)動方向進(jìn)行識別，對道路上發(fā)生的異常事件進(jìn)行識別，進(jìn)而為自動駕駛車輛提供數(shù)字化的道路基礎(chǔ)，為路添加一雙“上帝之眼”。
央視紀(jì)錄片《輝煌中國》中有一個(gè)片段，上海洋山港實(shí)現(xiàn)了全自動化的碼頭，他們使用了在碼頭上鋪滿磁釘?shù)姆绞?，進(jìn)行AGV車輛的引導(dǎo)，這種磁釘其實(shí)就是一種道路感知技術(shù)，每個(gè)磁釘能夠精確感知其方寸之上的車輛存在狀態(tài)，理論上只要在道路上鋪滿這種磁釘或類似傳感器，就可以對道路上運(yùn)行的車輛或目標(biāo)，進(jìn)行感知，例如過去道路上鋪設(shè)的地感線圈或地磁設(shè)備，來實(shí)現(xiàn)車輛的存在狀態(tài)檢測，這是一個(gè)非常成熟的技術(shù)，早已在智能交通里廣泛應(yīng)用。
但是，要實(shí)現(xiàn)整條路的感知，需要在道路上鋪滿這種傳感器，這個(gè)成本將是天文數(shù)字，而且這種地埋式的感知設(shè)備極容易因?yàn)榇筌嚨念l繁傾軋或高低溫急劇變化，導(dǎo)致?lián)p壞，這種依賴電磁的感知方式還需要消耗大量的能源，對行人、非機(jī)動車甚至道路遺撒的檢測能力也幾乎為零，因此，采用這種地埋傳感器的方式進(jìn)行道路感知對于整個(gè)道路的數(shù)字化是不現(xiàn)實(shí)的。
要實(shí)現(xiàn)道路非接觸式的全域感知，目前主要有視頻感知，雷達(dá)感知，激光感知，空間定位(北斗，GPS)，微波，超聲波等技術(shù)，下面分別進(jìn)行剖析。
視頻感知就是基于攝像頭成像，然后采用一系列的計(jì)算機(jī)視覺算法對道路進(jìn)行感知，因?yàn)橐曨l采集的像素點(diǎn)多、分辨率高、顏色豐富、動態(tài)范圍大，最能真實(shí)反應(yīng)道路的實(shí)景，因而應(yīng)用非常普遍。
基于視頻，采用各種計(jì)算機(jī)視覺檢測、識別、跟蹤、分割算法，可以對道路本身(包含路面，標(biāo)志標(biāo)線，裂紋，坑洼，路基，樹木，建筑設(shè)施，拋灑物，路面塌方，護(hù)欄，立桿等)，道路參與主體(人，車，非機(jī)動車，動物等)，道路環(huán)境(下雨下雪，積水積雪，起霧等)，道路異常事件進(jìn)行準(zhǔn)確識別，具有著其他傳感器無可比擬的優(yōu)勢，因而必然是未來車路協(xié)同必不可少的感知設(shè)備。
視頻感知的缺陷之一在于，現(xiàn)實(shí)世界存在晝夜切換，日月流轉(zhuǎn)，視頻成像會因?yàn)楣饩€的變化產(chǎn)生變化，夜間燈光較暗的時(shí)候，識別效果會急劇下降。
一種可選的彌補(bǔ)方案是在道路兩側(cè)加裝大量路燈，以保證全天候的成像效果和感知效果。但這種方案，需要消耗大量能源，且要在道路兩側(cè)加裝足夠多的路燈，成本造價(jià)也比較高。
還有一種增強(qiáng)方案，是在可見光檢測的同時(shí)，增加紅外或紫外波段的視覺感知能力，實(shí)現(xiàn)全天候的檢測，其中應(yīng)用較為廣泛的是采用遠(yuǎn)紅外成像進(jìn)行檢測，遠(yuǎn)紅外成像利用熱體輻射的原理，可以實(shí)現(xiàn)全天候的感知能力，并且由于波長較長，具備一定的透霧能力。
值得一提的是，遠(yuǎn)紅外測溫技術(shù)在最近流行的新冠疫情防控方面發(fā)揮了巨大作用，使得它從過去價(jià)格高昂的冷門工業(yè)品快速走入了大眾視野。
視頻感知的缺陷之二在于，由于攝像機(jī)安裝高度問題，只能傾斜俯視安裝，遠(yuǎn)處目標(biāo)由于視差的原因，導(dǎo)致目標(biāo)定位可能存在一定的誤差，距離越遠(yuǎn)誤差越大，我們實(shí)測在100米以內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)1m以內(nèi)甚至0.5m以內(nèi)的定位誤差，但到150米之外，誤差會提升到1.5米甚至更多。
雷達(dá)感知是采用毫米波雷達(dá)進(jìn)行道路感知，毫米波雷達(dá)通過發(fā)射特定波長的電磁波，然后通過回波到達(dá)的時(shí)間來計(jì)算前方車輛的距離。
采用面陣結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)的識別與區(qū)分，并結(jié)合回波的多普勒頻偏實(shí)現(xiàn)車輛相對速度的準(zhǔn)確測量。毫米波雷達(dá)的有點(diǎn)在于，可以實(shí)現(xiàn)全天候不受光線干擾的道路及道路參與主體的感知識別，并進(jìn)行較為準(zhǔn)確的距離測量和速度測量。
毫米波雷達(dá)用于車路協(xié)同的缺陷之一在于其分辨率較低，無法準(zhǔn)確探測到距離稍微遠(yuǎn)一點(diǎn)的人、兩輪車或動物，此外其無法識別道路的標(biāo)志標(biāo)線，裂紋，坑洼，路基，樹木，建筑設(shè)施，拋灑物，路面塌方，護(hù)欄，立桿等，對道路天氣狀態(tài)，雨雪霧等也不能識別。
毫米波雷達(dá)的缺陷之二在于，對于前后貼近的目標(biāo)無法準(zhǔn)確區(qū)分，此外，有些廠家為濾除背景干擾，設(shè)計(jì)了一些算法，只關(guān)注動態(tài)目標(biāo)，這會導(dǎo)致停下來的靜止車輛和目標(biāo)不能準(zhǔn)確檢測和識別。
激光雷達(dá)是近幾年隨著自動駕駛汽車的研發(fā)而開始廣泛走入大眾視野的一種傳感器，在此之前，在三維測量、三維建模等領(lǐng)域，激光也獲得了很多年的應(yīng)用。
單點(diǎn)激光的核心原理是通過發(fā)射特定波長的激光，然后通過一個(gè)接收器測量飛行時(shí)間，結(jié)合光速不變原理，得出物體的距離。為實(shí)現(xiàn)大視場的測量感知，通過設(shè)置多排傳感器并加裝多個(gè)旋轉(zhuǎn)裝置進(jìn)行旋轉(zhuǎn)掃描實(shí)現(xiàn)廣域測量。
激光雷達(dá)也可以實(shí)現(xiàn)全天候不受光線干擾的道路與道路參與主體的感知識別，并進(jìn)行較為準(zhǔn)確的距離測量和速度測量。
激光雷達(dá)的缺陷之一在于分辨率較低、掃描速度慢，因?yàn)闇y量的點(diǎn)是離散的，因此對距離略遠(yuǎn)的人、兩輪車、動物等小目標(biāo)感知能力較弱。另外無法識別道路的標(biāo)志標(biāo)線、裂紋、細(xì)小坑洼、路基、拋灑物、路面塌方、細(xì)小立桿等。道路天氣狀態(tài)，雨雪霧等也不能識別。
且雨雪霧天會因?yàn)橛暄╈F阻擋使得正常車輛的檢測也大打折扣。掃描速度慢，則會導(dǎo)致高速運(yùn)動中的車輛掃描會出現(xiàn)形變和扭曲問題。
激光雷達(dá)的缺陷之二在于外殼護(hù)罩長期曝露在外，容易被灰塵水污覆蓋，這會阻擋激光的傳播，一定程度上也會影響其探測距離和探測精度，此外因?yàn)閮?nèi)置旋轉(zhuǎn)馬達(dá)的機(jī)械裝置，需要24小時(shí)曝露在野外全天候工作，其使用壽命也會大大縮短。
當(dāng)然近年來也慢慢出現(xiàn)了一些面陣固態(tài)激光，它通過光相控陣的方式來實(shí)現(xiàn)固態(tài)的激光雷達(dá)，其采用電子而非機(jī)械的方式實(shí)現(xiàn)激光發(fā)生方向的改變，其掃描速度較機(jī)械式的高非常多，能一定程度上解決機(jī)械工作的壽命問題。
空間定位也是一種感知能力，其原理是在車上加裝北斗或GPS等衛(wèi)星定位裝置，然后通過V2X技術(shù)，實(shí)現(xiàn)車車通信或車云通信。如果要對某段路全域?qū)崿F(xiàn)道路感知，那么要求該路段所有車輛都安裝了上述裝置。
我們都知道汽車單價(jià)較高，汽車產(chǎn)品的更新迭代速度往往長達(dá)5到10年，因此這在短時(shí)間內(nèi)肯定不現(xiàn)實(shí)，另外就是上路的行人、自行車、甚至動物顯然不可能都背一個(gè)帶北斗或GPS定位的終端，因此，采用這種方案，從未來的發(fā)展來看，十年之后，實(shí)現(xiàn)道路上大多數(shù)車的感知還是有可能的，但無法實(shí)現(xiàn)人、兩輪車，動物等小目標(biāo)的感知，更無法識別道路的標(biāo)志標(biāo)線、裂紋、細(xì)小坑洼、路基、拋灑物、路面塌方、護(hù)欄、立桿等物理設(shè)置和標(biāo)識，以及道路天氣狀態(tài)雨雪霧等。
當(dāng)然還有其他類型的道路感知方式，如超聲波，但其受限于作用距離和分辨率，往往只適用于近距離的感知，微波的分辨率則非常低，同樣無法適用于遠(yuǎn)距離和小目標(biāo)的感知。
另外，采用單車感知，然后通過V2X實(shí)現(xiàn)車輛之間的多車多傳感器融合也是目前很多科研院所在研究的一個(gè)方向，就是借助單車的雷達(dá)、視頻、激光等傳感器進(jìn)行道路感知，然后通過車車通信，車云通信實(shí)現(xiàn)多輛車感知數(shù)據(jù)的共享，最終實(shí)現(xiàn)道路的準(zhǔn)全域感知，這個(gè)方案實(shí)現(xiàn)的前提是道路上所有車輛都裝了各種傳感器，這在極個(gè)別局部的受限環(huán)境下可能可以實(shí)現(xiàn)，如智慧礦山、智慧碼頭、智慧園區(qū)等，但在廣域的道路上顯然是不現(xiàn)實(shí)的。
綜上所述，道路的精準(zhǔn)感知是實(shí)現(xiàn)車路協(xié)同，構(gòu)建智慧公路的前提和基礎(chǔ)，可以說沒有準(zhǔn)確的道路感知，車路協(xié)同只能實(shí)現(xiàn)一些基本的信號控制、碰撞預(yù)警等最簡單的功能，只有實(shí)現(xiàn)道路的全域數(shù)字化，構(gòu)建真正的智慧公路，才能讓車路協(xié)同大放異彩。
而目前來看，采用單一的傳感器并不能完全實(shí)現(xiàn)道路的精準(zhǔn)感知，從感知方案來看，視頻優(yōu)于毫米波雷達(dá)，毫米波雷達(dá)優(yōu)于激光雷達(dá)。本質(zhì)上這三種方式都是基于電磁波，只是波長的長短有區(qū)分，主動被動方式有區(qū)分。
我司采用可見光+紅外雙光譜進(jìn)行視覺感知的方案，基于國際領(lǐng)先的深度學(xué)習(xí)道路及目標(biāo)識別跟蹤算法，并結(jié)合采用先進(jìn)的三維計(jì)算攝影學(xué)測量算法，能很好的解決全天候的道路感知問題，其方案成本遠(yuǎn)低于激光雷達(dá)，檢測出的目標(biāo)類別與精度也遠(yuǎn)優(yōu)于毫米波雷達(dá)和激光雷達(dá)，近期我們也在結(jié)合毫米波雷達(dá)的優(yōu)勢，在雙光視覺感知的基礎(chǔ)上，增加毫米波雷達(dá)的遠(yuǎn)距離精準(zhǔn)測距，這樣就充分結(jié)合了這兩種傳感器的優(yōu)勢，最終打造一個(gè)相對完美的道路感知和道路數(shù)字孿生解決方案。
當(dāng)然，技術(shù)無止境，物理世界和物理空間的數(shù)字化問題，將是整個(gè)世界未來要面對和解決的一個(gè)難題，也會有越來越多的技術(shù)和產(chǎn)品出現(xiàn)，我們也非常期待有更新更好的技術(shù)，能為道路感知提供更好手段，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)完美的道路感知，構(gòu)建現(xiàn)實(shí)世界1:1的數(shù)字鏡像和數(shù)字孿生世界，構(gòu)建敏銳聰慧的“上帝之眼”，這樣自動駕駛就真正不再是夢想，交通也將真正具有智慧。
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