張 攀，劉經(jīng)南

1. 武漢大學(xué)測繪學(xué)院，湖北 武漢 430079； 2. 貴州寬凳智云科技有限公司北京分公司，北京 100016

高精地圖，國際一般稱為高分辨率地圖(high definition map，HD Map)或者高度自動駕駛地圖(highly automated driving map，HAD Map)，國內(nèi)也稱其為自動駕駛地圖，是一種面向車輛高級輔助駕駛、自動駕駛及智慧交通的電子地圖產(chǎn)品[1]。與導(dǎo)航電子地圖相比，高精地圖具有更高的精度和更豐富的數(shù)據(jù)內(nèi)容，通常包括道路[2]、車道[3-4]、道路上的地面標(biāo)志物[5]以及交通控制信息[6]。高精地圖大約在2014年受到自動駕駛需求的驅(qū)動而產(chǎn)生，伴隨著自動駕駛的快速發(fā)展而逐漸成為研究熱點話題。行車環(huán)境感知是實現(xiàn)自動駕駛的前提，自動駕駛系統(tǒng)首先需要感知車輛周邊的道路交通環(huán)境，然后才能規(guī)劃行車路徑，最后通過控制執(zhí)行實現(xiàn)自動駕駛[7]。因此，智能網(wǎng)聯(lián)汽車一般安裝了各種傳感器來實現(xiàn)行車場景環(huán)境感知，例如攝像頭、GNSS、INS、毫米波雷達(dá)、超聲波雷達(dá)和激光雷達(dá)等。但僅依靠傳感器還無法實現(xiàn)完整可靠的環(huán)境感知，因為傳感器自身存在諸多限制。例如傳感器的感知范圍有限，一般在200 m以內(nèi)，同時也無法感知位于其視場角(FOV)之外的物體。此外，傳感器容易受到惡劣天氣和環(huán)境噪聲的影響而無法正常工作，并且需要高性能的計算、耗電多。高精地圖可以作為一種行車基礎(chǔ)設(shè)施提供全天候超視距的感知，解決傳感器感知邊界和使用條件受限的問題，增強(qiáng)自動駕駛系統(tǒng)的穩(wěn)健性。除了應(yīng)用到環(huán)境感知，高精地圖還被大量應(yīng)用到高精度定位和路徑規(guī)劃[8-13]。

盡管很多自動駕駛公司已經(jīng)開始使用高精地圖，但大多采用的是自有格式或者擴(kuò)展現(xiàn)有格式，只能滿足該公司或者特定項目需要，不具備通用性和大規(guī)模應(yīng)用能力[14]。地圖行業(yè)一般將地圖規(guī)格劃分為3個大的階段，母庫規(guī)格、交換規(guī)格、物理規(guī)格，如圖1所示。規(guī)格的簡單定義如下：規(guī)格=數(shù)據(jù)模型+存儲文件格式。其中存儲文件格式有空間數(shù)據(jù)庫、json、ShapeFile等，規(guī)格的核心是數(shù)據(jù)模型(包含表達(dá)方式)。

圖1 高精地圖數(shù)據(jù)處理階段及對應(yīng)的規(guī)格Fig.1 HD maps data processing stage and corresponding format

母庫規(guī)格是數(shù)據(jù)制作階段采用的規(guī)格，利用自動化或者人工的手段從原始采集數(shù)據(jù)中提取和制作物理世界存在的要素，如車道線、交通標(biāo)志牌等，然后再生成虛擬的要素，如車道中心線、交通規(guī)制信息、車道拓?fù)潢P(guān)系等。因此在數(shù)據(jù)模型定義上，需要將物理要素和虛擬要素進(jìn)行分離，即虛擬要素的表達(dá)建立在物理要素之上。

交換規(guī)格作為數(shù)據(jù)交換的規(guī)格，在數(shù)據(jù)模型上與母庫規(guī)格之間的差異很小甚至沒有差異，一般采用ShapeFile或者M(jìn)IF等GIS數(shù)據(jù)格式進(jìn)行存儲。ShapeFile格式作為一種通用的空間矢量數(shù)據(jù)格式，其特點是通過點、線、面表達(dá)空間對象的幾何形狀，同時具備定義屬性和關(guān)系的能力，但圖層的劃分、要素形狀表達(dá)類型和含義、屬性字段的詳細(xì)定義等需要通過數(shù)據(jù)模型來明確。

在應(yīng)用階段，重點關(guān)注的不再是數(shù)據(jù)制作工藝的合理性與便利性，而是數(shù)據(jù)在終端上的應(yīng)用效率和數(shù)據(jù)量大小，因此終端的物理格式往往建立以瓦片(tile)為單位的空間索引和道路要素層級關(guān)聯(lián)關(guān)系，并采用二進(jìn)制化的方式壓縮地圖的數(shù)據(jù)量。

總之，高精地圖的數(shù)據(jù)模型和表達(dá)方式直接決定了高精地圖的制作內(nèi)容，即制作哪些要素和屬性、制作成什么形式，也關(guān)系到了高精地圖制作工藝，即如何制作，還影響后續(xù)的終端物理格式編譯及應(yīng)用方式。因此，通用化、標(biāo)準(zhǔn)化的高精地圖數(shù)據(jù)模型對于推進(jìn)高精地圖規(guī)?；l(fā)展與應(yīng)用具有重要作用。

歐美等國家提出的NDS標(biāo)準(zhǔn)格式是一種典型的物理應(yīng)用格式[15]，既有數(shù)據(jù)模型的精準(zhǔn)定義，又有數(shù)據(jù)表達(dá)原則的詳細(xì)描述。此外，歐美還提出了OpenDRIVE[16]、lanelet[17]等格式，引領(lǐng)了高精地圖技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。國內(nèi)地理信息標(biāo)準(zhǔn)化工作委員會、中國智能網(wǎng)聯(lián)汽車產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新聯(lián)盟自動駕駛地圖工作組、中國智能交通產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟等也開始著手相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)制定工作，但進(jìn)度相對滯后且需進(jìn)一步協(xié)同立場，亟待整合測繪、汽車和交通全行業(yè)資源制定具有我國特色的行業(yè)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)[18]。

綜上，目前國內(nèi)外都缺乏面向數(shù)據(jù)制作和交換階段的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)模型和表達(dá)方式。面對這一現(xiàn)狀，本文旨在設(shè)計一種通用化高精地圖數(shù)據(jù)模型，并選取最為常見的復(fù)雜工況——車道數(shù)變化場景，進(jìn)行車道模型的構(gòu)建與表達(dá)，再通過NDS編譯和ADASIS V3[19]應(yīng)用試驗，驗證該模型的實用性和有效性。該數(shù)據(jù)模型可以作為一種高精地圖交換格式，也適用于指導(dǎo)數(shù)據(jù)生產(chǎn)和制作，從而建立連接高精地圖制作與應(yīng)用的橋梁，同時也有利于推進(jìn)高精地圖數(shù)據(jù)表達(dá)的標(biāo)準(zhǔn)化?；谠摶A(chǔ)模型，還可以持續(xù)擴(kuò)展，以表達(dá)更多要素和應(yīng)對更多場景。即該模型的通用性體現(xiàn)在3個方面：一方面可以作為通用的交換規(guī)格；另一方面可以應(yīng)用到生產(chǎn)制作的各個階段；第3方面向下兼容、易于擴(kuò)展。后續(xù)將分為高精地圖數(shù)據(jù)模型、車道模型、車道數(shù)變化場景下的車道構(gòu)建、交通標(biāo)志物模型、應(yīng)用與試驗等5個部分進(jìn)行介紹。

1 高精地圖數(shù)據(jù)模型

高精地圖數(shù)據(jù)模型是從傳統(tǒng)導(dǎo)航地圖數(shù)據(jù)模型發(fā)展而來。導(dǎo)航地圖一般使用線段(link)抽象道路，使用結(jié)點(node)抽象路口，從而構(gòu)建起經(jīng)典的點線拓?fù)淠Ｐ蚚20-21]，再使用Dijkstra或A*等算法，實現(xiàn)最優(yōu)路徑規(guī)劃功能[22]。由于高精地圖表達(dá)的要素更為豐富，其數(shù)據(jù)模型比導(dǎo)航地圖更復(fù)雜，一般包括道路網(wǎng)、車道網(wǎng)、交通設(shè)施等數(shù)據(jù)內(nèi)容的組織與表達(dá)[23]。如圖2所示，從左至右十字交叉路口的表達(dá)層次由淺入深，最右側(cè)的表達(dá)粒度達(dá)到了車道級。

圖2 不同粒度的地圖數(shù)據(jù)模型[24]Fig.2 Map data model with different granularity[24]

目前，國際主流地圖數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)格式有OpenDRIVE和NDS，兩者在仿真、導(dǎo)航、自動駕駛等領(lǐng)域受到了廣泛應(yīng)用。面向自動駕駛設(shè)計的lanelet模型也具有一定的代表性。下面將對這些主流數(shù)據(jù)模型展開詳細(xì)分析。

1.1 OpenDRIVE

OpenDRIVE是2006年發(fā)起的一種基于XML文件的開放數(shù)據(jù)格式，廣泛應(yīng)用于仿真領(lǐng)域。OpenDRIVE以道路(road)為核心數(shù)據(jù)管理單元，車道(lane)、道路設(shè)施物(object)、標(biāo)志(signal)等都掛載在道路實體之下，作為道路的附屬屬性。在幾何表達(dá)上，車道等附屬要素都以道路參考線為基準(zhǔn)進(jìn)行表達(dá)，而不是獨立表達(dá)。

圖3 OpenDRIVE格式車道模型[25]Fig.3 The lane model of OpenDRIVE format[25]

1.2 NDS

NDS格式廣泛應(yīng)用于車載導(dǎo)航領(lǐng)域，其定義的高精地圖數(shù)據(jù)模型主要采用了車道組模型，將車道邊界線、車道中心線、車道拓?fù)潢P(guān)系都納入車道組的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中，而沒有獨立的車道概念。NDS通過車道中心線前后連接的拓?fù)潼c表達(dá)車道拓?fù)潢P(guān)系。NDS雖然有獨立的數(shù)據(jù)圖層概念，分為道路(routing)、車道(lane)、地標(biāo)(landmark)、障礙物(obstacle)等模塊，但是實際上非道路模塊(如車道模塊和地標(biāo)模塊)必須通過關(guān)聯(lián)道路實體(link)才能得以表達(dá)。

因此，NDS格式的車道、地標(biāo)等關(guān)鍵要素與道路實體的耦合程度很高，這主要是因為它是直接面向終端應(yīng)用，高耦合的設(shè)計方便導(dǎo)航引擎通過道路快速獲取關(guān)聯(lián)的各類要素，從而提升數(shù)據(jù)使用效率。具備高耦合度的數(shù)據(jù)模型一般具備強(qiáng)格式的特點，需要復(fù)雜而專業(yè)的數(shù)據(jù)編譯過程才能實現(xiàn)格式轉(zhuǎn)換，逆向轉(zhuǎn)換或者轉(zhuǎn)換到其他格式都比較困難。同時也難以應(yīng)用到數(shù)據(jù)采集與矢量化制作階段。

1.3 LaneLet

文獻(xiàn)[2]提出了可駕駛的車道區(qū)間概念lanelet，被應(yīng)用到奔馳公司自動駕駛規(guī)劃系統(tǒng)。lanelets地圖包括lanelet、規(guī)則元素和駕駛走廊3個模塊。如圖4所示，lanelet是可駕駛的車道區(qū)間，由左右邊界構(gòu)成，是lanelets地圖的最小單元；規(guī)則元素是關(guān)聯(lián)在lanelet上的交通規(guī)則信息，如交通信號燈、交通標(biāo)志、路口交通規(guī)則等；駕駛走廊是有序的、接續(xù)的lanelet序列，是到達(dá)目的地的具體駕駛路徑。

圖4 Lanelet模型[19]Fig.4 Lanelet model[19]

第1代lanelet定義了一種輕量級的車道模型，駕駛走廊固定了車輛行駛的所有車道及變道位置。第2代lanelet[26]在第1代基礎(chǔ)上增加了更多要素，更加體系化，但同時也變得更加復(fù)雜。如圖5所示，在拓?fù)鋵?，通過有向圖的方式定義了lanelet的連接關(guān)系，包括沿道路通行方向上的車道拓?fù)潢P(guān)系和垂直于道路通行方向上的車道鄰接關(guān)系，但兩者并未做區(qū)分。在關(guān)系層，定義了lanelet與規(guī)則元素的關(guān)聯(lián)關(guān)系，如與限速標(biāo)志牌的關(guān)系。對于每一個實體，如lanelet、面(area)都由物理層的線和點構(gòu)成。

圖5 Lanelet第2代模型[26]Fig.5 Lanelet 2 model[26]

Lanelet模型也是一種面向應(yīng)用的數(shù)據(jù)模型，相對OpenDRIVE和NDS而言，具備獨立的車道概念，由左右車道邊界線構(gòu)成。但lanelet模型并沒有抽出道路link概念，而只表達(dá)車道之間的拓?fù)潢P(guān)系。并且車道拓?fù)潢P(guān)系不僅包括車道通行方向上的前后連接關(guān)系，還包括允許變道的鄰接關(guān)系，因此構(gòu)建的車道拓?fù)溆邢驁D過于復(fù)雜，用于車輛變道時效率低下。

綜合考慮以上模型的優(yōu)劣勢，提出通用性數(shù)據(jù)模型需具備的要求如下。

(1) 至少包含道路、車道兩級模型，道路與車道獨立表達(dá)，并建立關(guān)聯(lián)關(guān)系。

(2) 車道模型至少包括車道拓?fù)潢P(guān)系、車道左右邊界線、車道屬性等內(nèi)容。

(3) 地標(biāo)模型與道路、車道建立關(guān)聯(lián)關(guān)系，但是耦合度低，不需要依賴道路或車道表達(dá)，可以獨立表達(dá)形狀和屬性。

(4) 物理要素和虛擬要素分開表達(dá)。

基于以上要求，本文提出了一通用化的高精地圖數(shù)據(jù)模型，稱為Whu map model。其架構(gòu)如圖6所示，采用面向?qū)ο蟮慕Ｋ枷?，即分圖層分要素的表達(dá)。主要分為3大模塊：車道模型、地面標(biāo)志物、交通標(biāo)志牌。同時也定義了道路模型，建立了道路與車道組之間的關(guān)系，但不作為要素的管理單元。道路模型沿用導(dǎo)航電子地圖的link-node模型，不做詳述。

圖6 高精地圖基礎(chǔ)數(shù)據(jù)模型Fig.6 A basic data model of HD maps

2 車道模型

車道模型是高精地圖數(shù)據(jù)模型中最重要的部分，對于自動駕駛應(yīng)用而言至關(guān)重要。目前已經(jīng)有高精地圖模型方面的理論與整體性研究[27]，但尚缺少高精地圖車道模型方面的深入分析與研究。因此，本文在第1節(jié)的OpenDRIVE、NDS、lanelet等模型分析中也著重介紹了車道模型，一般至少包括車道拓?fù)潢P(guān)系、車道左右邊界線、車道屬性等內(nèi)容的表達(dá)。本文設(shè)計的Whu map model車道模型包括車道組、車道、車道邊界線、車道中心線等4類要素，下面進(jìn)行詳細(xì)描述。

2.1 車道組

(1) 車道組定義。車道組(lane group)是某一路段上垂直于道路通行方向上一個或多個車道構(gòu)成的集合。車道組內(nèi)車道數(shù)恒定、且所有車道屬于同一條道路、具有相同行駛方向。車道組的概念可以通過式(1)表達(dá)

(1)

式中，m為車道數(shù)；i表達(dá)第i個車道。在實際制作過程中，當(dāng)路段上車道個數(shù)無變化時，將此路段上的所有車道編為一組，同時賦予相應(yīng)的車道編號。當(dāng)車道數(shù)量發(fā)生變化時，需要在變化的地方進(jìn)行打斷，形成兩個不同的車道組。NDS格式采用了基于車道組的表達(dá)方法，如圖7所示，與本文定義的車道組概念一致。

(2) 車道組拓?fù)潢P(guān)系(lane group topo)。車道組拓?fù)潢P(guān)系表示前后連接的車道組之間的連接關(guān)系，如式(2)所示

LGT=(LGfrom,LGto)

(2)

式中，LG表示車道組；LGT表示車道組拓?fù)潢P(guān)系；LGfrom表示進(jìn)入車道組；LGto表示退出車道組。以圖7為例，車道組0(lane group 0)作為進(jìn)入車道組時，車道組1(lane group 1)是其退出車道組；車道組1作為進(jìn)入車道組時，車道組2和3(lane group 2和lane group 3)都是其退出車道組。NDS沒有定義車道組之間的拓?fù)潢P(guān)系，而車道組拓?fù)潢P(guān)系對于計算車道拓?fù)?、車道級路徑?guī)劃具有重要作用，因此本文對這一部分內(nèi)容進(jìn)行了定義，并在后文車道拓?fù)潢P(guān)系構(gòu)建中進(jìn)行了實際應(yīng)用。

2.2 車道

(1) 車道定義。車道組由車道組成，車道則是一個常用的概念，如式(3)所示

L=(dleft,dright,c,A)

(3)

車道通常指的是一個包含左右邊界線(即dleft和dright)、寬度大約在3.5 m左右的縱向行駛區(qū)間。當(dāng)人駕駛車輛時，只需要左右邊界線作為約束即可實現(xiàn)平穩(wěn)駕駛。而當(dāng)自動駕駛時，只有左右車道邊界線是不夠的，還需要車道的中心線(即式(3)中c)來引領(lǐng)駕駛軌跡，減少實時計算量，實現(xiàn)平滑穩(wěn)定的駕駛。此外，車道還具有各類交通屬性(即式(3)中A)，如式(4)所示

A=(Atype,Adirection,Arestriction,Aothers)

(4)

式中，A表示各類交通屬性；Atype為車道類型；Adirection為通行方向；Arestriction為車道限制信息；Aothers為其他交通屬性。車道類型又包括：普通車道、HOV車道、應(yīng)急車道、加速車道、減速車道、潮汐車道等。車道在交通維度的通行方向信息Adirection，其取值如式(5)所示

Adirection∈{s,l,r,sl,sr}

(5)

式中，s代表直行；l代表左轉(zhuǎn)；r代表右轉(zhuǎn)；sl代表直行加左轉(zhuǎn)；sr代表直行加右轉(zhuǎn)。車道限制信息包括限速、限高和限寬等。其他車道屬性還有車道連接類型(表達(dá)車道連接信息，如車道生成、車道結(jié)束、車道分離、車道合并等信息)、車道寬度等。

(2) 車道拓?fù)潢P(guān)系。車道拓?fù)潢P(guān)系與道路拓?fù)潢P(guān)系類似，表達(dá)車道之間的連通關(guān)系，可用于車道級的路徑規(guī)劃與導(dǎo)航[28]。其定義如式(6)所示

LT=(Lfrom,n,Lto)

(6)

式中，LT表達(dá)車道拓?fù)潢P(guān)系；Lfrom表示進(jìn)入車道；Lto表示退出車道；n表達(dá)兩條車道的車道中心線交點(node)。Lfrom為空時，表示沒有進(jìn)入車道；Lto為空時，表示沒有退出車道。車道拓?fù)潢P(guān)系還可以通過車道中心線及其首尾點構(gòu)成的拓?fù)渚W(wǎng)來表達(dá)，兩種方式可以相互轉(zhuǎn)化。

2.3 車道邊界線

(1) 車道邊界線定義。車道邊界線d(divider)也稱為車道分隔線，通常是地面上的涂漆線，例如白色實線、白色虛線、雙黃線等。因此需要表達(dá)其形狀(dgeometry)、顏色(dcolour)、類型(dtype)等屬性(datrribute)信息，如式(7)、式(8)所示

d=(dgeometry,datrribute)

(7)

datrribute=(dcolour,dtype,dtraversability)

(8)

此外，屬性還包括車道線的可穿行信息dtraversability，例如實線不允許變道、虛線允許變道、左實右虛線只允許從右向左變道、右實左虛線只允許從左向右變道，如式(9)所示

dtraversability∈{Right_To_Left,Left_To_Right,Both,None}

(9)

(2) 車道邊界線拓?fù)潢P(guān)系。車道線拓?fù)潢P(guān)系可采用式(10)的方式進(jìn)行表達(dá)

DT=(dfrom,dto)

(10)

式中，d代表車道線(divider)；dfrom表示進(jìn)入車道線；dto表示退出車道線。

車道邊界線拓?fù)潢P(guān)系一般較少直接面向終端應(yīng)用，NDS和OpenDrive中都沒有相關(guān)定義。但在高精地圖制作過程中，車道邊界線拓?fù)潢P(guān)系可以作為中間成果用于車道拓?fù)潢P(guān)系的生成?；谌斯ぶ悄苌疃葘W(xué)習(xí)的方法，除了可以提取車道線的形狀、線型等信息，采用有向非循環(huán)圖形模型(DAGMapper)還可以提取高速公路分叉合并處的車道線拓?fù)潢P(guān)系[29]，如圖8所示左側(cè)所示。圖8右側(cè)為車道線拓?fù)潢P(guān)系展示圖，其中藍(lán)點是紅色箭頭所指的車道線d1與綠色箭頭所指的車道線d2交匯后的拓?fù)潼c，交匯后的車道線為d3，則交匯前后的車道線拓?fù)潢P(guān)系可以表達(dá)為(d1，d3)和(d2，d3)。

圖7 NDS基于車道組的表達(dá)模型[17]Fig.7 NDS lane group-based model[17]

2.4 車道中心線

車道中心線即車道的中心線(centerline)，記為c，其表達(dá)式為

c=(nstart,nend,Cgeometry)

(11)

式中，nstart表示車道中心線的首點；nend表示車道中心線的尾點；Cgeometry表示車道中心線的幾何形狀，采用形點串的方式表達(dá)。

在自動駕駛中，車道中心線往往作為行車軌跡的承載體，因為這種方式可以最大化利用地圖的信息從而減少實時計算量。正因如此，車道中心線的表達(dá)需要保證合理、連通和平滑。在簡單場景下，車道中心線就是車道的幾何中心線，即左右邊界線之間的幾何中心線。但在車道數(shù)發(fā)生變化的場景，不能簡單采用幾何中心線作為每個車道的車道中心線，否則會產(chǎn)生車道中心線斷裂、距離道路邊緣過近等問題，影響自動駕駛使用，如圖9(b)所示。

3 車道數(shù)變化場景下車道模型構(gòu)建

在實際制作和應(yīng)用過程中，高精地圖面臨的最大的挑戰(zhàn)之一是車道數(shù)發(fā)生變化場景下車道模型的構(gòu)建。對于沒有車道數(shù)變化的簡單場景，不存在車道中心線的匯合或者分離，只需考慮縱向上的連接，可認(rèn)為是一個“一維”問題。而對于有車道數(shù)變化的場景，一般存在車道中心線的匯合或者分離，不僅需要考慮縱向的連接，還需要橫向上的連接，是一個“二維”問題。所以車道數(shù)變化場景是檢驗數(shù)據(jù)模型設(shè)計優(yōu)劣的“試金石”，因此本節(jié)進(jìn)行了重點討論。

為了生成如圖9(c)所示的車道中心線，首先需要參考合理的車道拓?fù)潢P(guān)系，保證拓?fù)渖线B接，然后基于空間約束條件生成平滑的幾何形狀。因此車道拓?fù)潢P(guān)系是生成車道中心線的前提和基礎(chǔ)，構(gòu)建完整并且合理的車道模型的關(guān)鍵?；诒疚亩x的Whu map model車道模型，通過多種常見車道數(shù)變化場景下的車道拓?fù)錁?gòu)建，來驗證模型表達(dá)上的有效性和穩(wěn)健性。

圖9 車道數(shù)變化場景Fig.9 An example of a lane number change scenario

車道數(shù)變化場景下車道拓?fù)錁?gòu)建架構(gòu)如圖10所示。首先按照是否包含車道線拓?fù)溥M(jìn)行場景的分類。對于包含車道線拓?fù)涞膱鼍翱梢灾苯佑密嚨谰€拓?fù)淙ド绍嚨劳負(fù)?。對于不包含車道線拓?fù)涞膱鼍埃偌?xì)分為有復(fù)合箭頭和沒有復(fù)合箭頭的場景，前者利用復(fù)合箭頭提供的通行方向信息生成車道拓?fù)?，后者根?jù)車道中心線航向角變化最小原則來生成合理的車道拓?fù)潢P(guān)系。

圖10 車道數(shù)變化場景下車道拓?fù)錁?gòu)建架構(gòu)Fig.10 The architecture of lane topology construction in scenarios where the number of lanes changes

3.1 含車道線拓?fù)潢P(guān)系的場景

含車道線拓?fù)潢P(guān)系的場景指的是車道數(shù)發(fā)生變化的部分存在車道線匯合或分歧的拓?fù)溥B接關(guān)系。如圖11(a)藍(lán)色結(jié)點和紅色虛線所示，有2條進(jìn)入的車道線和1條退出的車道線，表達(dá)車道數(shù)變化前的左三車道匯入變化后的左二車道。圖11(a)所示的場景是一種典型的車道線“兩線合一”場景，可以通過人工或自動化的手段提取出車道線拓?fù)潢P(guān)系。

基于可提取的物理存在的地圖要素，實現(xiàn)的車道表達(dá)如下：

(1) 車道組LG1

LG1={L11，L12，L13}

L11=(d1,d2,s)

L12=(d2,d3,s)

L13=(d3,d4,s)

式中，s表達(dá)車道通向方向是直行。

(2) 車道組LG2

LG2={L21，L22}

L21=(d5,d6,s)

L22=(d6,d7,s)

(3) 車道組拓?fù)?lane group topo)

LGT1=(LG1,LG2)

(4) 車道線拓?fù)潢P(guān)系(divider topo)

DT1=(d1,d5)

DT2=(d2,d6)

DT3=(d3,d7)

DT4=(d4,d7)

基于車道線所屬車道信息，再根據(jù)車道線的拓?fù)潢P(guān)系，可以生成車道拓?fù)潢P(guān)系。如上例所示，d3和d4都連接d7，而d3是L12和L13的邊界線，d4是L13的邊界線，d7是L22的邊界線，由此可知L12和L13合并匯入L22，車道拓?fù)潢P(guān)系(lane topo)如下

LT1=(L11,L21)

LT2=(L12,L22)

LT3=(L13,L22)

3.2 不含車道線拓?fù)潢P(guān)系的場景

不含車道線拓?fù)潢P(guān)系的場景，其特點是變化前后的車道形態(tài)不對齊、呈犬牙交錯狀，多見于城市道路場景。該場景下沒有明確的車道線拓?fù)潢P(guān)系，不能采取含車道線拓?fù)潢P(guān)系的方法進(jìn)行計算。該場景又可以分為兩種子場景：一種是含有復(fù)合箭頭標(biāo)識的子場景，可以利用復(fù)合箭頭表達(dá)的車道通行方向信息構(gòu)建車道拓?fù)潢P(guān)系；一種是不含復(fù)合箭頭標(biāo)識的子場景，根據(jù)車道中心線航向角變化最小原則，通過計算車道幾何中心線之間的夾角尋找最合適的車道連接關(guān)系。

3.2.1 有復(fù)合箭頭標(biāo)識場景

如圖12(a)所示，車道數(shù)變化前左一車道有明確的直行和左轉(zhuǎn)箭頭，表明該車道可以連接前面的左轉(zhuǎn)車道和直行車道。因此，合理的車道拓?fù)潢P(guān)系和車道中心線表達(dá)如圖12(b)所示。雖然這種表達(dá)方式看似存在一定的缺陷，丟失了圖12(c)黃色線條所示的連接關(guān)系，即從下面的中間車道可以稍偏左邊向前行駛到左二的直行車道，但是卻能構(gòu)建完整合理的車道模型。此外黃色線條表達(dá)直行信息也通過變化后的左三車道進(jìn)行了表達(dá)，即左三車道允許變道到左二車道。如果以圖12(c)的表達(dá)方式來，在變化區(qū)間內(nèi)會形成5條車道中心線，5條車道中心線需要對應(yīng)5個車道，然后變化前是3車道、變化后是4車道，因此會產(chǎn)生車道中心線與車道對應(yīng)不上的問題。因此，圖12(b)的表達(dá)方式滿足車道模型建立的要求，也可以滿足自動駕駛的應(yīng)用需求。

對該場景下的車道線等物理存在要素提取，可生成不含車道拓?fù)潢P(guān)系和車道中心線的車道。再根據(jù)車道線的打斷位置，可以在橫向上生成車道組，如圖13所示，紅色方框內(nèi)是車道組1，綠色方框內(nèi)是車道組2。詳細(xì)可實現(xiàn)的車道表達(dá)如下。

(1) 車道組LG1

LG1={L11，L12，L13}

L11=(d1,d2,sl)

L12=(d2,d3,s)

L13=(d3,d4,r)

(2) 車道組LG2

LG2={L21，L22，L23，L24}

L21=(d5,d6,l)

L22=(d6,d7,s)

L23=(d7,d8,s)

L24=(d8,d9,r)

(3) 車道組拓?fù)?/p>

LGT1=(LG1,LG2)

根據(jù)車道的通行方向信息，可以生成車道拓?fù)潢P(guān)系。如上示例中，LG2比LG1多一個車道，LG1中的L11的通行方向信息是sl，即直行和左轉(zhuǎn)，LG2中只有L21的通行方向信息是L左轉(zhuǎn)，且其右一個車道L22是s，直行，由此可知，L11分歧出L21和L22。車道拓?fù)潢P(guān)系如下

LT1=(L11,L21)

LT2=(L11,L22)

LT3=(L12,L23)

LT4=(L13,L24)

3.2.2 無復(fù)合箭頭標(biāo)識場景

無復(fù)合箭頭標(biāo)識的場景如圖14(a)所示，此時除了可以將左一車道作為分歧車道，還可以將左二車道和左三車道作為分歧車道，如圖14(b)、(c)所示。為了保障自動駕駛汽車安全舒適地行駛，需要車道中心線盡可能減少航向角的變化。因此通過計算車道中心線的航向角，選取變化最小的結(jié)果表達(dá)拓?fù)潢P(guān)系。如圖15所示，首先計算出變化前后所有車道的幾何中心線，如紅線所示，然后對于變化后的每一條車道的幾何中心線，依次連接變化前的每一條車道的幾何中心線，如藍(lán)線所示，同時計算連接后形成的夾角，如黑色角θ所示(0<θ≤180°)。

θ越大，即越接近180°，表示航向角變化越小，車道中心線的角度變化也越小。所以對變化前后數(shù)量更多一方的每一車道，選取θ最大時連接的車道作為拓?fù)溥B接車道，如圖15黃色所示。所以合適的車道拓?fù)潢P(guān)系即圖14(b)所示。構(gòu)成的車道拓?fù)潢P(guān)系如下

LT1=(L11,L21)

LT2=(L12,L22)

LT3=(L12,L23)

LT4=(L13,L24)

該表達(dá)原則仍存在不足之處，并沒有表達(dá)所有通行的可能性，下方的最左側(cè)車道依然可以行駛到上方的左二直行車道，而不是只能行駛到上方左一的左轉(zhuǎn)車道。但從幾何形態(tài)和駕駛體驗來說，航向角最大的方案是駕駛最平滑的方案。同時基于此模型，可以提前進(jìn)行合理路徑規(guī)劃，規(guī)避上述問題。

3.2.3 混合場景

在城市道路場景中可能還會遇到更為復(fù)雜的車道變化路段，例如在同一個路段既有車道線拓?fù)潢P(guān)系的變化，也無車道拓?fù)潢P(guān)系的變化，如圖16(a)所示。此時需要進(jìn)行分拆處理，首先根據(jù)已有的車道線拓?fù)潢P(guān)系構(gòu)建該部分的車道拓?fù)潢P(guān)系。對剩下的部分采取無車道線拓?fù)潢P(guān)系場景下的處理。示例結(jié)果如圖16(b)所示。

4 交通標(biāo)志物模型

4.1 地面標(biāo)志物模型

地面標(biāo)志物指的是地面上起到交通指示或傳遞某種交通信息的標(biāo)志物，包括了地面箭頭、文字以及各類符號。如式(12)所示

R=(Rtype,Rboundingbox,Rsemantic,Rassociation)

(12)

式中，R表示地面標(biāo)志物；Rtype表示地面標(biāo)志物類型，如箭頭、文字、導(dǎo)流帶等。對于各類形態(tài)各異的地面標(biāo)志物，一般采用矩形的包圍盒表達(dá)其輪廓。部分標(biāo)志物具有明顯的語義信息，例如地面上的限速數(shù)字，以及標(biāo)識公交車道或者應(yīng)急車道的文字，因此需要預(yù)留表達(dá)語義信息的字段，式(12)中使用Rsemantic來表達(dá)。Rassociation表達(dá)地面標(biāo)志物與道路、車道的關(guān)聯(lián)關(guān)系，將在4.3節(jié)進(jìn)行統(tǒng)一描述。

圖11 含車道線拓?fù)潢P(guān)系的場景Fig.11 The scenario with lane divider topology

圖12 有復(fù)合箭頭標(biāo)識的場景Fig.12 The scenario with compound arrows

圖13 有復(fù)合箭頭標(biāo)識場景的車道數(shù)據(jù)表達(dá)Fig.13 The lane data description of the scenario with compound arrows

圖14 無復(fù)合箭頭標(biāo)識的場景Fig.14 The scenario without compound arrows

圖15 車道幾何中心線航向角計算Fig.15 The calculation of heading angles of lane geometric centerlines

圖16 混合變化場景Fig.16 Hybrid change scenario

對于包圍盒的表達(dá)包括兩種，一種是垂直于道路行駛方向的包圍盒，一種是基于地面標(biāo)志物自身形狀的最小包圍盒。前者按要素的最外邊緣繪制出橫平豎直的矩形框，本文稱為坐標(biāo)矩形框；后者需要參照要素的骨架線來構(gòu)建最小外接包圍盒，本文稱為骨架矩形框。大多數(shù)情況下，兩者的表達(dá)是相同的。少數(shù)情況有所差異，如圖17所示，對于具有一定傾斜度的直箭頭，兩種包圍盒的表達(dá)有所不同。雖然兩種方式都具有擴(kuò)大標(biāo)志物實際范圍的效果，但顯然骨架矩形框擴(kuò)大的范圍小于坐標(biāo)矩形框。包圍盒作為高精地圖精細(xì)化表達(dá)方式之一，需要根據(jù)應(yīng)用需求明確表達(dá)方式。例如為盡量避免矩形框擴(kuò)大表達(dá)范圍而與車道線相交，應(yīng)該選取骨架矩形框的表達(dá)方式。

4.2 交通標(biāo)志牌模型

交通標(biāo)志牌是道路交通中非常常見的交通信息承載體，為了方便駕駛員，一般設(shè)置在道路上方1～3 m之間。按照國標(biāo)GB 5768《道路交通標(biāo)志和標(biāo)線》的定義[30]，道路交通標(biāo)志是以顏色、形狀、字符、圖形等向道路使用者傳遞信息，用于管理交通的設(shè)施。通過交通標(biāo)志提供準(zhǔn)確及時的信息和引導(dǎo)，使道路使用者順利快捷地抵達(dá)目的地，促進(jìn)交通順暢和行車安全。本文提出的交通標(biāo)志牌模型使用式(13)來進(jìn)行表達(dá)

Msign=(Mtype,Msubtype,Mboundingbox,Msemantic,

Massociation)

(13)

式中，Msign表示交通標(biāo)志牌；Mtype表達(dá)交通標(biāo)志牌的類型，包括警告標(biāo)識、禁令標(biāo)識、指示標(biāo)志、指路標(biāo)志等；Msubtype表達(dá)詳細(xì)子類，國內(nèi)約有100多種，如限速、禁止左轉(zhuǎn)、注意橫風(fēng)等；Mboundingbox表達(dá)交通標(biāo)志牌外接矩形框(即包圍盒)。隨著人工智能技術(shù)在激光點云和圖像融合感知方面的應(yīng)用，標(biāo)志牌矩形框的自動化提取效率不斷提高，如圖18所示?；谔崛≈蟮耐饨缇匦慰颍€可以通過中心點坐標(biāo)結(jié)合長度、寬度或者半徑等的方式來表達(dá)交通標(biāo)志牌的形狀。

Isemantic表達(dá)交通標(biāo)志牌的語義信息。對于限速、限寬、限高等影響駕駛決策的標(biāo)志牌，經(jīng)常與時間段、車種、天氣等條件關(guān)聯(lián)，如圖19所示。為了準(zhǔn)確表達(dá)其語義信息，采取式(14)的表達(dá)方式

Isemantic=(Irestrictiontype,Iroadtype,Icontent,Itime,Ivehicle,

Iweather)

(14)

交通標(biāo)志牌語義信息包括限制類型Irestrictiontype、限制道路類型Iroadtype、內(nèi)容Icontent、限制時間Itime、限制車輛類型Ivehicle、限制天氣Iweather等。

在圖19展示的場景中，還包括多塊交通標(biāo)志牌聯(lián)合在一起表達(dá)的情況，如“限速120”“小型車”“限速40”“匝道”。為了支持該場景的表達(dá)，采用式(15)表達(dá)標(biāo)志牌之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系Ssignrelation

Ssignrelation=(Ssigni,Ssignj,Ssignrelationtype)

(15)

式中，Ssigni和Ssignj分別代表不同的標(biāo)志牌。關(guān)系類型Ssignrelationtype分為包含關(guān)系Sincluding、組合關(guān)系Scombination等，如式(16)所示

Ssignrelationtype∈{Sincluding,Scombination,Sothers}

(16)

4.3 關(guān)聯(lián)關(guān)系

在自動駕駛中，僅依靠車輛傳感器來感知環(huán)境的另一個問題是，盡管傳感器通常能夠捕獲車輛周圍的道路交通設(shè)施，但很難確定該交通設(shè)施作用的對象和范圍。例如，攝像機(jī)可以在其視場角范圍內(nèi)檢測到限速標(biāo)志，但是該標(biāo)志可能作用的是相鄰的另外一條道路。如圖20所示，雖然限速牌立在當(dāng)前高速道路的右側(cè)，但實際上它表達(dá)的是右前方匝道的限速。又如在城市場景中具有多個交通信號燈的路口內(nèi)，攝像機(jī)難以識別出每個交通信號燈實際控制的道路或車道。作為一種先驗知識，高精地圖可以預(yù)先制作每個車道的限速信息，或者建立限速標(biāo)志、交通信號燈與道路、車道之間的連接關(guān)系。因此，通過高精地圖就能直接獲得每條道路每個車道的限速信息以及關(guān)聯(lián)的各種交通設(shè)施。

地面標(biāo)志物和交通標(biāo)志牌與道路、車道之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，通過式(17)表達(dá)

Tassociation=(Troad,Tlane,Tgeo_range,Teffect_range)

(17)

式中，Troad表示關(guān)聯(lián)的道路；Tlane表示關(guān)聯(lián)的車道；Tgeo_range表達(dá)關(guān)聯(lián)的地理范圍；Teffect_range表達(dá)作用范圍。地理范圍和作用范圍既可以是一個位置點，也可以是一個連續(xù)區(qū)間。如圖20所示，限速40的標(biāo)志牌和右轉(zhuǎn)箭頭的輔助標(biāo)志牌，它們的地理范圍即實際所在的地理位置，位于高速公路主路右側(cè)，作用范圍則是右前方的匝道。當(dāng)出現(xiàn)關(guān)聯(lián)多條道路或者多個車道時，可以通過增加關(guān)聯(lián)關(guān)系的個數(shù)來表達(dá)。

5 應(yīng)用試驗

為進(jìn)一步驗證該數(shù)據(jù)模型的有效性，進(jìn)行了大規(guī)模數(shù)據(jù)制作與應(yīng)用試驗。首先，將基于該模型設(shè)計而成的高精地圖母庫規(guī)格，應(yīng)用于自動化與人工作業(yè)結(jié)合的生產(chǎn)平臺，實現(xiàn)了大規(guī)模的高精地圖數(shù)據(jù)制作，數(shù)據(jù)場景涵蓋高速公路、城市道路、港口園區(qū)等各類場景。然后，基于該模型設(shè)計而成的高精地圖交換規(guī)格，以SHP格式數(shù)據(jù)文件為載體，生成高精地圖交換格式數(shù)據(jù)?？紤]到NDS和OpenDRIVE作為物理規(guī)格應(yīng)用的廣泛性，再將高精地圖交換格式數(shù)據(jù)編譯到NDS、OpenDRIVE格式，如圖21和圖22所示。最后，通過基于ADASIS V3標(biāo)準(zhǔn)的電子地平線試驗，驗證了數(shù)據(jù)模型的有效性。自動駕駛汽車需要從自車的角度來感知環(huán)境，為了將高精地圖應(yīng)用于自動駕駛感知系統(tǒng)，需要從以地圖為中心的視圖切換到以車輛為中心的視圖，這種從行車視角獲取所需地圖數(shù)據(jù)的使用方式被稱為電子地平線[31]。電子地平線大大減少了需要傳輸?shù)能嚨劳負(fù)渚W(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)量，從而可以有效地應(yīng)用高精地圖。隨著車輛繼續(xù)前進(jìn)，可以在刪除舊的電子地平線數(shù)據(jù)的同時，動態(tài)生成新的電子地平線數(shù)據(jù)。同時可以基于車道級路線規(guī)劃的結(jié)果來生成電子地平線。

圖17 地面箭頭的包圍盒Fig.17 Bounding boxes of road arrows

圖18 交通標(biāo)志牌的包圍盒表達(dá)Fig.18 Bounding boxes of traffic signs

按照歐洲ADASIS協(xié)會定義的ADASIS V3標(biāo)準(zhǔn)，生成的電子地平線可視化如圖23(a)、(c)、(e)所示，紅色首尾點的白色線段是地面上的虛線，白色實線是地面上的白實線，兩者之間的灰色實線是車道中心線，紅色實線則是道路靠外側(cè)的應(yīng)急車道線。由圖23(a)、(b)可以看出車輛在當(dāng)前道路的最左側(cè)車道，前方道路地面上有印刷文字，地圖中采用青色矩形框表達(dá)其外輪廓。當(dāng)車輛行駛一小段后準(zhǔn)備變道，到達(dá)圖23(c)、(d)的位置，此時地圖數(shù)據(jù)發(fā)生增長。變道完成之后，又行駛了一小段距離到達(dá)圖23(e)、(f)的位置，地圖繼續(xù)增長以滿足自動駕駛感知需求。可以看出高精地圖數(shù)據(jù)很好地支持了基于車輛位置變化的電子地平線輸出。

圖19 復(fù)雜交通標(biāo)志牌Fig.19 Complex traffic signs

圖20 限速標(biāo)志和指示標(biāo)志組合使用Fig.20 Combination of speed limit sign and indication sign

圖21 Whu map model數(shù)據(jù)模型編譯到NDS 2.5.4格式地圖Fig.21 NDS 2.5.4 map compiled from Whu map model

圖22 Whu map model數(shù)據(jù)模型編譯到OpenDrive 1.4H格式地圖Fig.22 OpenDrive 1.4H map compiled from Whu map model

圖23 電子地平線Fig.23 Electronic Horizon

試驗中，電子地平線硬件采用恩智浦S32V，進(jìn)行了680多項測試，記錄了每個步驟的時間消耗，其平均值統(tǒng)計見表1。由表1結(jié)果可以看出，從接收需求到生成、傳輸，整個過程平均耗時小于100 ms，達(dá)到了實時應(yīng)用的效果，同時也驗證了數(shù)據(jù)及軟件的可用性與有效性。

表1 基于ADASIS V3協(xié)議的高精地圖電子地平線效率統(tǒng)計

6 總 結(jié)

高精地圖已成為自動駕駛必不可少的基礎(chǔ)設(shè)施之一，但在數(shù)據(jù)制作和交換階段，尚未形成統(tǒng)一的數(shù)據(jù)模型和表達(dá)方法，制約了高精地圖的規(guī)?；l(fā)展與應(yīng)用。針對這一問題，本文在分析和總結(jié)NDS、OpenDRIVE、lanelet等模型特點的基礎(chǔ)上，提出了一種通用化的高精地圖數(shù)據(jù)模型及表達(dá)方法。首先，車道模型方面，采用車道組為管理單元，將同一路段上相同行駛方向的車道歸為一組。車道組由車道構(gòu)成，車道由車道的左邊界線、右邊界線、車道中心線、車道屬性構(gòu)成。車道屬性包括車道的類型、車道限制信息等。當(dāng)一個車道組的某個車道連接下一個車道組的某個車道時，可以通過表達(dá)進(jìn)入車道和退出車道的車道對來構(gòu)建車道拓?fù)潢P(guān)系。然后通過多種常見車道數(shù)變化場景下的車道拓?fù)錁?gòu)建，驗證了模型表達(dá)上的有效性。具體包括有車道線拓?fù)潢P(guān)系的場景、無車道線拓?fù)潢P(guān)系的場景以及兩者的混合類型。含有車道線拓?fù)潢P(guān)系的場景，可以應(yīng)用車道線拓?fù)潢P(guān)系來生成車道拓?fù)潢P(guān)系；不含車道線拓?fù)潢P(guān)系的場景，根據(jù)復(fù)合箭頭提供的車道通行方向信息以及車道中心線航向角變化最小原則，來生成合理的車道拓?fù)潢P(guān)系。交通標(biāo)志物的數(shù)據(jù)模型方面，主要定義內(nèi)容包括類型、包圍盒、語義以及與道路、車道的關(guān)聯(lián)關(guān)系。最后，按照本文提出的數(shù)據(jù)模型，完成了大范圍的高精地圖數(shù)據(jù)制作，并且成功編譯到了NDS及OpenDRIVE等標(biāo)準(zhǔn)物理格式，同時應(yīng)用到ADASIS V3電子地平線產(chǎn)品，取得了良好效果，進(jìn)一步驗證了模型的實用性和有效性。