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寫在前面&筆者的個(gè)人理解

在協(xié)作、互聯(lián)和自動(dòng)化移動(dòng)（CCAM）中，智能駕駛車輛對(duì)周圍環(huán)境的感知、建模和分析能力越強(qiáng)，它們就越能意識(shí)到并能夠理解、做出決策，以及安全高效地執(zhí)行復(fù)雜的駕駛場(chǎng)景。高精（HD）地圖以厘米級(jí)精度和車道級(jí)語(yǔ)義信息表示道路環(huán)境，使其成為智能移動(dòng)系統(tǒng)的核心組件，也是CCAM技術(shù)的關(guān)鍵推動(dòng)者。這些地圖為自動(dòng)化車輛提供了了解周圍環(huán)境的強(qiáng)大優(yōu)勢(shì)。高精地圖也被視為隱藏的或虛擬的傳感器，因?yàn)樗鼌R集了來(lái)自物理傳感器的知識(shí)（地圖），即激光雷達(dá)、相機(jī)、GPS和IMU，以建立道路環(huán)境的模型。高精地圖正在迅速向智能城市數(shù)字基礎(chǔ)設(shè)施的整體表示發(fā)展，不僅包括道路幾何形狀和語(yǔ)義信息，還包括道路參與者的實(shí)時(shí)感知、天氣狀況、工作區(qū)域和事故的更新。大規(guī)模部署自動(dòng)駕駛汽車需要由一支龐大的車隊(duì)來(lái)構(gòu)建和維護(hù)這些地圖，這些車隊(duì)協(xié)同工作，不斷更新地圖，使車隊(duì)中的自動(dòng)駕駛汽車能夠正常工作。本文對(duì)這些地圖在高度自動(dòng)駕駛（AD）系統(tǒng)中的各種應(yīng)用進(jìn)行了廣泛的綜述。我們系統(tǒng)回顧了構(gòu)建和維護(hù)高精地圖的不同方法和算法的最新進(jìn)展。此外還討論并綜合了高精地圖分發(fā)的數(shù)據(jù)、通信和基礎(chǔ)設(shè)施要求。最后回顧了當(dāng)前的挑戰(zhàn)，并討論了下一代數(shù)字地圖系統(tǒng)的未來(lái)研究方向。

高精地圖發(fā)展歷史

A.數(shù)字地圖

現(xiàn)代衛(wèi)星系統(tǒng)和圖像技術(shù)的出現(xiàn)徹底改變了對(duì)世界精確而詳細(xì)的數(shù)字表示的創(chuàng)建，產(chǎn)生了我們現(xiàn)在所說(shuō)的數(shù)字地圖，如谷歌地圖、OpenStreetMap、蘋果地圖、Garmin和Mapbox。數(shù)字地圖對(duì)道路結(jié)構(gòu)和基本語(yǔ)義信息以及興趣點(diǎn)（POI）進(jìn)行編碼。有幾種方法和技術(shù)可以從衛(wèi)星圖像中提取和識(shí)別構(gòu)建這些地圖所需的地理特征。數(shù)字地圖現(xiàn)在是我們?nèi)粘Ｉ钪斜夭豢缮俚墓ぞ撸绕涫桥cGPS集成時(shí)。事實(shí)上，這種集成一直是構(gòu)建大量數(shù)字服務(wù)的核心組成部分，最重要的是導(dǎo)航和路由。這些地圖主要是為了幫助人類而開發(fā)的，現(xiàn)在可以在最新的車輛中使用，以幫助人類駕駛員。然而，這些地圖的準(zhǔn)確性和精度以及AD要求的更新時(shí)間有限，其中車輛需要一定程度的位置精度以及詳細(xì)的車道級(jí)別信息。

B.增強(qiáng)型數(shù)字地圖

數(shù)字地圖已得到顯著改進(jìn)，以滿足高級(jí)駕駛員輔助系統(tǒng)（ADAS）功能的要求，如車道保持輔助和自適應(yīng)巡航控制（ACC）。這些增強(qiáng)型數(shù)字地圖中的典型特征包括速度限制、道路曲率和坡度、車道信息以及交通標(biāo)志和紅綠燈。增強(qiáng)型數(shù)字地圖也稱為ADAS地圖，目前是大多數(shù)現(xiàn)代車輛不可或缺的一部分，可實(shí)現(xiàn)ADAS功能。盡管增強(qiáng)型數(shù)字地圖引入了車道級(jí)信息，但其幾何精度和語(yǔ)義細(xì)節(jié)水平限制了其在更高自主水平上的適用性。在AD系統(tǒng)中，要求車輛相對(duì)于其環(huán)境進(jìn)行高精度定位，了解當(dāng)前情況，并規(guī)劃無(wú)碰撞軌跡。為了達(dá)到這一自主水平，自動(dòng)化車輛不僅需要獲得具有厘米級(jí)位置精度和車道級(jí)幾何信息的地圖，還需要獲得環(huán)境的3D模型，以及道路環(huán)境的所有靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特征。

C.高精地圖

上述要求的需要產(chǎn)生了我們今天所說(shuō)的高精地圖，或者簡(jiǎn)稱為高精地圖。圖1突出顯示了地圖的演變、地圖的特征和用途，以及地圖所包含的信息及其精度和細(xì)節(jié)水平。

D.可擴(kuò)展地圖：概述

在過(guò)去的十年里，學(xué)術(shù)界和工業(yè)界都做出了巨大的研究和開發(fā)努力，將極限推向價(jià)格合理、自我維護(hù)和可擴(kuò)展的高精地圖。然而，在按比例構(gòu)建高精地圖方面存在各種懸而未決的問(wèn)題。這些挑戰(zhàn)阻礙了高精地圖在自主移動(dòng)方面實(shí)現(xiàn)其全部潛力和最終目標(biāo)。這些挑戰(zhàn)可分為以下幾類。

• 1）數(shù)據(jù)收集：高精地圖的數(shù)據(jù)收集可能是一個(gè)耗時(shí)且勞動(dòng)密集的過(guò)程。它通常包括使用GPS、IMU、激光雷達(dá)和相機(jī)等傳感器的組合來(lái)收集有關(guān)環(huán)境的詳細(xì)信息。
• 2）數(shù)據(jù)通信：數(shù)據(jù)通信包括將地圖數(shù)據(jù)從收集地傳輸?shù)教幚淼匾詷?gòu)建高精地圖，最后傳輸?shù)较M(fèi)地，例如自動(dòng)駕駛汽車。測(cè)繪車輛從不同的傳感器生成大量數(shù)據(jù)，需要對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理以構(gòu)建和更新地圖。實(shí)時(shí)處理來(lái)自大量測(cè)繪車輛的這些數(shù)據(jù)確實(shí)是一個(gè)挑戰(zhàn)。
• 3）數(shù)據(jù)處理：數(shù)據(jù)處理是通過(guò)提取構(gòu)建高精地圖所需的元素和特征來(lái)創(chuàng)建高精地圖的步驟。這可能是一項(xiàng)非常復(fù)雜的任務(wù)，尤其是對(duì)于大型地圖，因?yàn)樗婕暗骄酆虾蛯?duì)齊來(lái)自多個(gè)來(lái)源的數(shù)據(jù)，并確保地圖準(zhǔn)確和最新。在地圖繪制過(guò)程中涉及大量地圖繪制車輛的情況下，必須確保精確的時(shí)間同步，以避免數(shù)據(jù)錯(cuò)位。使用GPS產(chǎn)生的每秒脈沖（PPS）信號(hào)進(jìn)行同步往往是使所有車載傳感器同步的最常見方法。
• 4）地圖維護(hù)：地圖維護(hù)是指根據(jù)道路環(huán)境的變化，如建筑工地、道路堵塞和道路連接的修改，不斷更新高精地圖的過(guò)程。由于道路環(huán)境是高度動(dòng)態(tài)的，并且會(huì)發(fā)生變化，因此這一過(guò)程需要頻繁的數(shù)據(jù)收集和處理工作。
• 5）數(shù)據(jù)隱私與安全：數(shù)據(jù)安全和隱私對(duì)高精地圖至關(guān)重要，因?yàn)樗鼈兺ǔ０舾行畔?，如建筑物和基礎(chǔ)設(shè)施的位置。確保這些數(shù)據(jù)得到保護(hù)而不被濫用是一項(xiàng)重大挑戰(zhàn)。
• 6）建圖成本：在創(chuàng)建高精地圖的過(guò)程中，地圖成本是一個(gè)重要因素。大規(guī)模繪制地圖需要使用大量的測(cè)繪車，每輛車都配備了一套昂貴的帶有高精度傳感器的測(cè)繪設(shè)備。在繪制大面積地圖時(shí)，此成本變得非常重要。使用消費(fèi)級(jí)傳感器進(jìn)行高精地圖繪制是可能的，但這是以使用復(fù)雜的地圖繪制算法為代價(jià)的。

E.主要貢獻(xiàn)

本文對(duì)高精地圖進(jìn)行了深入的概述，包括其分層架構(gòu)的統(tǒng)一模型。此外，本文強(qiáng)調(diào)了高精地圖在模塊化AD系統(tǒng)中的重要性，并綜合了它們?cè)诟鞣NAD核心功能中的使用方式。鑒于上述地圖數(shù)據(jù)收集、通信、處理、安全和成本方面的挑戰(zhàn)，本文廣泛回顧了以往關(guān)于構(gòu)建和維護(hù)高精地圖的工作，包括成本效益高的解決方案以及從生成到分發(fā)的通信和地圖數(shù)據(jù)需求。此外，本文還討論了目前在構(gòu)建和維護(hù)高精地圖方面面臨的挑戰(zhàn)。最后，我們?yōu)槲磥?lái)和下一代移動(dòng)高精地圖提供了一些啟示。這項(xiàng)工作的主要貢獻(xiàn)可概括如下：

• 高精地圖的獨(dú)立概覽，作為更廣泛的智能交通系統(tǒng)社區(qū)的背景。
• 詳細(xì)回顧高精地圖在AD系統(tǒng)的各種核心功能中使用的最先進(jìn)技術(shù)。
• 全面調(diào)查不同的方法、方法和算法，以維護(hù)不同層次的高精地圖并使其保持最新。
• 討論綜合行政管理及其他方面高精地圖的主要挑戰(zhàn)和未來(lái)前景。

高精地圖：概述

早期的高精地圖只是ADAS中使用的增強(qiáng)型數(shù)字地圖的擴(kuò)展，它們被稱為早期的地圖。HD地圖一詞是最近才出現(xiàn)的，但現(xiàn)在已被CCAM行業(yè)廣泛接受，包括一級(jí)汽車公司、地圖提供商和原始設(shè)備制造商。高精地圖封裝了自動(dòng)化車輛的所有必要信息，以非常高的精度了解駕駛環(huán)境。雖然人們普遍認(rèn)為高精地圖是CCAM的核心推動(dòng)者，但對(duì)于什么信息構(gòu)成高精地圖以及如何表示這些信息，沒有明確的指導(dǎo)方針或標(biāo)準(zhǔn)。盡管如此，市場(chǎng)上可用的高精地圖具有共同的功能。厘米級(jí)的位置精度以及車道級(jí)幾何和語(yǔ)義信息的可用性是大多數(shù)高精地圖中的基本特征。在最基本的層面上，高精地圖可以簡(jiǎn)單地是一組點(diǎn)和線段，其準(zhǔn)確位置代表路標(biāo)、車道標(biāo)記、車道邊界和車道分隔符。由于AD系統(tǒng)的要求，今天的高精地圖變得越來(lái)越復(fù)雜，來(lái)自不同來(lái)源的數(shù)據(jù)構(gòu)成了關(guān)于駕駛環(huán)境的多層信息。將高精地圖分解為多個(gè)層可以使道路環(huán)境具有更結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)表示。這有助于AD系統(tǒng)的不同組件的可訪問(wèn)性，這需要在不同的細(xì)節(jié)級(jí)別對(duì)環(huán)境進(jìn)行建模。此外，分層數(shù)據(jù)表示使地圖的構(gòu)建、存儲(chǔ)、檢索和維護(hù)變得容易。圖2中給出了這些分層的示例。

如上所述，有幾種方式來(lái)表示AD系統(tǒng)中使用的地圖信息，包括車道級(jí)別的細(xì)節(jié)，例如車道邊界、車道標(biāo)記類型、交通方向、人行橫道、可駕駛區(qū)域多邊形和交叉口注釋。盡管駕駛環(huán)境是高度動(dòng)態(tài)的，但這三層中表示的數(shù)據(jù)是靜態(tài)的。環(huán)境的整體表示還應(yīng)包括關(guān)于觀測(cè)速度、天氣條件、擁堵區(qū)、道路阻塞區(qū)（施工）等的實(shí)時(shí)交通信息。本節(jié)試圖以統(tǒng)一的方式提供存儲(chǔ)在這些層中的信息的全局概覽。盡管大多數(shù)高精地圖提供商都有自己的定義和格式，而且高精地圖還沒有唯一的標(biāo)準(zhǔn)，但我們將高精地圖中包含的信息分為六個(gè)不同的層，如圖2所示。

A.基礎(chǔ)地圖層

基礎(chǔ)地圖層是HD地圖的基礎(chǔ)，并被視為構(gòu)建所有其他層的參考層。它包含環(huán)境的高度精確的三維地理空間表示，例如道路、建筑物和其他結(jié)構(gòu)的位置和形狀。道路環(huán)境的三維地理空間模型正成為自動(dòng)駕駛汽車的重要信息來(lái)源。現(xiàn)在，HD地圖通常包含環(huán)境的三維表示?；镜貓D層通常使用來(lái)自激光雷達(dá)的點(diǎn)云和/或來(lái)自一個(gè)或多個(gè)相機(jī)的圖像創(chuàng)建，有時(shí)借助GPS/IMU。這套傳感器構(gòu)成了一個(gè)MMS，可以創(chuàng)建一個(gè)高度準(zhǔn)確和詳細(xì)的代表環(huán)境的3D點(diǎn)云。從該層提取道路和車道的幾何和語(yǔ)義特征，以構(gòu)建HD地圖中的其他層。由于該層包含環(huán)境的密集數(shù)據(jù)表示，因此它在自動(dòng)駕駛汽車的精確定位中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。點(diǎn)云配準(zhǔn)的幾種技術(shù)允許通過(guò)將原始傳感器數(shù)據(jù)與該層的點(diǎn)云相匹配來(lái)估計(jì)車輛姿態(tài)。就數(shù)據(jù)處理和通信需求而言，構(gòu)建和更新該層具有挑戰(zhàn)性。

B.幾何地圖層

盡管基礎(chǔ)地圖層對(duì)環(huán)境的表示精確而密集，但由于其表示中缺乏有意義的特征，其支持理解環(huán)境的能力有限。HD地圖中的幾何圖層提供了有關(guān)道路環(huán)境幾何圖形的詳細(xì)信息，包括道路、車道、路緣石和其他特征的位置和形狀。幾何層通常包括有關(guān)道路寬度、車道數(shù)量、每條車道的中心線、每條道路中車道的邊界以及路面高程的信息。它還包括有關(guān)路緣石、人行道、人行橫道以及垂直和水平交通標(biāo)志的精確位置和形狀的信息。這些特征中的每一個(gè)都用基本的幾何圖元表示，即點(diǎn)、線、多線和多邊形。例如，垂直交通標(biāo)志的位置可以用一個(gè)點(diǎn)來(lái)表示。車道中心線或邊界可以由一組相互連接的線段表示，例如多線。類似地，人行橫道可以用多邊形表示。該層的幾何特征是通過(guò)處理基礎(chǔ)地圖層的數(shù)據(jù)來(lái)創(chuàng)建的。根據(jù)基礎(chǔ)地圖數(shù)據(jù)構(gòu)建幾何層通常涉及幾個(gè)處理步驟，包括道路分割、車道信息提取、路標(biāo)、桿、交通標(biāo)志、路緣石、障礙物和路面特征。該層提供了道路特征的高度準(zhǔn)確的車道級(jí)幾何表示。HD地圖中的幾何特征對(duì)于各種AD核心組件至關(guān)重要，最重要的是對(duì)于動(dòng)態(tài)道路參與者的精確運(yùn)動(dòng)預(yù)測(cè)，以及幾何可行軌跡的安全規(guī)劃。

C.語(yǔ)義地圖層

語(yǔ)義地圖層定義了由幾何地圖層提供的道路特征的重要性。該層中的數(shù)據(jù)為地圖中表示的特征提供了上下文和意義。例如，HD地圖中的語(yǔ)義地圖層包含諸如道路類型（例如，高速公路、住宅道路）和車道（例如，可能向左或向右改變）、它們的編號(hào)、交通方向以及車道是用于轉(zhuǎn)彎還是用于停車的信息。它還包括有關(guān)限速、車道邊界、十字路口、人行橫道、交通標(biāo)志、紅綠燈、停車位、公交車站和許多其他對(duì)構(gòu)建環(huán)境上下文表示很重要的特征的信息。語(yǔ)義地圖層允許自動(dòng)駕駛汽車構(gòu)建其環(huán)境的詳細(xì)情景表示，并理解交通規(guī)則，從而能夠在不同的交通場(chǎng)景中做出正確和安全的決策。簡(jiǎn)單地說(shuō)，語(yǔ)義地圖層為幾何地圖中定義的道路特征和對(duì)象分配語(yǔ)義標(biāo)簽。例如，幾何圖層中的點(diǎn)只不過(guò)是地圖坐標(biāo)參考系中的一組有序坐標(biāo)。只有語(yǔ)義層定義該點(diǎn)是否對(duì)應(yīng)紅綠燈、讓行標(biāo)志或停車標(biāo)志。眾所周知，高精地圖包含豐富的語(yǔ)義信息。語(yǔ)義層還將元數(shù)據(jù)與道路特征相關(guān)聯(lián)，如道路曲率、推薦行駛速度和每個(gè)語(yǔ)義特征的唯一標(biāo)識(shí)符。事實(shí)上，語(yǔ)義豐富的高精地圖使自動(dòng)駕駛汽車能夠更好地了解駕駛情況，從而在復(fù)雜的場(chǎng)景中做出復(fù)雜的決策。然而，構(gòu)建可靠且高保真的道路環(huán)境語(yǔ)義圖并不是一個(gè)簡(jiǎn)單的過(guò)程。需要幾個(gè)處理步驟，不限于場(chǎng)景分割、目標(biāo)檢測(cè)、分類、姿態(tài)估計(jì)和地圖。隨著計(jì)算機(jī)視覺、深度學(xué)習(xí)、傳感器融合和語(yǔ)義SLAM算法的最新進(jìn)展，構(gòu)建準(zhǔn)確的語(yǔ)義圖成為可能。

D.道路連接層

道路連接層描述道路網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及各種幾何元素是如何連接的。與只包含道路級(jí)信息和道路級(jí)連接的數(shù)字地圖的標(biāo)準(zhǔn)定義相反，高精地圖包含車道級(jí)幾何和語(yǔ)義信息，因此道路之間的連接變得復(fù)雜，因?yàn)樗x了兩組或多組車道之間的連接。更準(zhǔn)確地說(shuō)，這一層提供了道路的布局和連通性，包括車道邊界和中心線以及十字路口。車道級(jí)連通性信息對(duì)于規(guī)劃道路和車道之間的合法過(guò)渡以及規(guī)劃每個(gè)交叉口允許的操作是必要的，這對(duì)自動(dòng)駕駛汽車的路徑規(guī)劃至關(guān)重要。簡(jiǎn)單地說(shuō)，該層定義了構(gòu)成幾何層的圖元如何相互連接。這些連接是通過(guò)定義幾何和語(yǔ)義元素的順序?qū)?lái)建立的。為每個(gè)幾何和語(yǔ)義元素分配一個(gè)唯一的標(biāo)識(shí)符可以使用圖形數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來(lái)表示這些信息，其中每個(gè)元素都由一條邊和它們作為節(jié)點(diǎn)的連接來(lái)表示。圖形結(jié)構(gòu)允許快速查詢和搜索地圖，并有效地規(guī)劃路線。

E.先驗(yàn)地圖層

該層也被稱為先驗(yàn)地圖層，因?yàn)樗硎静W(xué)習(xí)過(guò)去經(jīng)驗(yàn)中的信息。它涉及地圖中的幾何和語(yǔ)義元素，它們的狀態(tài)隨時(shí)間變化。從車隊(duì)的數(shù)據(jù)中學(xué)習(xí)交通流和事故區(qū)域的狀態(tài)允許更有效和更具預(yù)測(cè)性的駕駛行為。該層還獲取和學(xué)習(xí)有助于預(yù)測(cè)人類駕駛行為和十字路口紅綠燈動(dòng)態(tài)狀態(tài)的信息。它還適應(yīng)臨時(shí)道路設(shè)置，如停車命令、占用率和時(shí)間表。例如，一些城市的路邊停車場(chǎng)在某些工作日會(huì)發(fā)生變化，預(yù)測(cè)占用的概率，并且管理給定停車場(chǎng)的時(shí)間規(guī)則是從經(jīng)過(guò)該停車場(chǎng)的不同車隊(duì)車輛的先前地圖層傳感器讀數(shù)中得出的。由于不同社會(huì)之間的社會(huì)文化差異，學(xué)習(xí)和預(yù)測(cè)道路駕駛員的駕駛行為可能具有挑戰(zhàn)性。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)對(duì)這些行為進(jìn)行建模對(duì)于通用和可擴(kuò)展的AD系統(tǒng)至關(guān)重要。

F.實(shí)時(shí)地圖數(shù)據(jù)

高精地圖中的實(shí)時(shí)層是一個(gè)動(dòng)態(tài)層，它提供有關(guān)環(huán)境的實(shí)時(shí)信息，例如交通狀況、道路封閉和其他可能影響自動(dòng)駕駛車輛導(dǎo)航的事件。該層通常是通過(guò)組合來(lái)自各種來(lái)源的數(shù)據(jù)來(lái)創(chuàng)建的，例如安裝在車輛上或位于路邊的相機(jī)、傳感器和其他連接設(shè)備。通過(guò)參與車輛的眾包或使用特定通信網(wǎng)絡(luò)的智能基礎(chǔ)設(shè)施，實(shí)時(shí)收集數(shù)據(jù)并用于更新高精地圖。實(shí)時(shí)層可以包括諸如其他車輛的位置和速度、交通信號(hào)的位置和狀態(tài)以及道路上是否存在施工區(qū)域或其他障礙物和堵塞物的信息。這些信息對(duì)于自動(dòng)駕駛汽車實(shí)時(shí)做出安全高效的駕駛決策以優(yōu)化交通流量和減少擁堵至關(guān)重要。此外，實(shí)時(shí)層可以用于通過(guò)提供關(guān)于環(huán)境的最新信息來(lái)提高HD地圖的準(zhǔn)確性和完整性，這些信息可能不會(huì)被用于創(chuàng)建地圖的傳感器捕獲。簡(jiǎn)單地說(shuō)，高精地圖中的實(shí)時(shí)層提供了環(huán)境的動(dòng)態(tài)、最新表示。動(dòng)態(tài)元素的高精地圖實(shí)時(shí)更新具有挑戰(zhàn)性，需要復(fù)雜的智能通信基礎(chǔ)設(shè)施和多個(gè)參與者之間的合作。智能交通系統(tǒng)（ITS）、高精地圖提供商和車輛之間的數(shù)據(jù)傳輸必須可靠，并滿足本調(diào)查稍后介紹的某些要求。

自動(dòng)駕駛系統(tǒng)架構(gòu)中的高精地圖

高精地圖為AD系統(tǒng)提供了道路環(huán)境的詳細(xì)而精確的表示。這些地圖包含自動(dòng)駕駛汽車安全高效導(dǎo)航所需的車道級(jí)幾何、拓?fù)浜驼Z(yǔ)義信息。在自動(dòng)駕駛汽車中使用高精地圖可以讓他們更好地了解周圍環(huán)境，規(guī)劃路線，并做出更準(zhǔn)確的駕駛決策，從而確保乘客和其他道路使用者的安全。本節(jié)討論高精地圖在AD系統(tǒng)中的重要性和用途。超精密地圖數(shù)據(jù)現(xiàn)在是AD系統(tǒng)中大多數(shù)不同核心組件的組成部分。為了討論高精地圖在AD中的重要性和用途，我們簡(jiǎn)要介紹了典型的現(xiàn)代AD系統(tǒng)的架構(gòu)和標(biāo)準(zhǔn)組件。圖5顯示了AD系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)組件，展示了那些依賴HD地圖的組件。本節(jié)首先簡(jiǎn)要介紹AD系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)及其工作方式及其各種組件。本節(jié)的其余部分對(duì)依賴高精地圖的AD組件的最新技術(shù)進(jìn)行了廣泛的回顧。

A.自動(dòng)駕駛系統(tǒng)架構(gòu)

自動(dòng)化車輛是一種復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)物理系統(tǒng)，其中不同的組件必須協(xié)同工作，以穩(wěn)健、可靠和安全的方式完成整體駕駛?cè)蝿?wù)。雖然不存在AD系統(tǒng)的獨(dú)特架構(gòu)，但我們?cè)谶@項(xiàng)工作中依賴于一種通用架構(gòu)，該架構(gòu)有助于我們了解如何使用高精地圖來(lái)改善AD系統(tǒng)的不同功能。類似于任何機(jī)器人系統(tǒng)，自動(dòng)駕駛汽車都可以被視為具有三個(gè)主要元件的認(rèn)知代理，（1）傳感器、（2）感知和（3）行為。將這些元素拆分為一個(gè)行業(yè)級(jí)的AD系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生幾個(gè)組件，如圖5所示?，F(xiàn)代AD系統(tǒng)架構(gòu)中的傳感組件通常包括不同的傳感器，如IMU、GPS、相機(jī)、激光雷達(dá)和雷達(dá)。這些傳感器的子集允許車輛知道其相對(duì)于環(huán)境的位置，即用于定位，并且剩余的傳感器用于感知環(huán)境本身。傳感組件的作用是讀取和預(yù)處理原始傳感器數(shù)據(jù)，并將其提供給AD系統(tǒng)的其他部分。在最簡(jiǎn)單的形式中，傳感組件由一組傳感器驅(qū)動(dòng)器組成，用于實(shí)時(shí)讀取原始傳感器數(shù)據(jù)。定位組件是整個(gè)AD系統(tǒng)可靠運(yùn)行的最關(guān)鍵部件之一。它的作用是精確估計(jì)車輛的位置。定位的錯(cuò)誤會(huì)傳播到AD處理管道的其余部分。定位只是一個(gè)狀態(tài)估計(jì)器，它融合了來(lái)自傳感組件的原始傳感器數(shù)據(jù)。此外，地圖的可用性允許改進(jìn)和魯棒定位，特別是在一些傳感器失效或性能下降的區(qū)域。感知的作用是生成當(dāng)前環(huán)境狀態(tài)的中間級(jí)別表示，包括有關(guān)障礙物和道路因素的信息。此表示還包括有關(guān)車道（位置、邊界、標(biāo)記和類型）、交通標(biāo)志、紅綠燈和可駕駛區(qū)域的詳細(xì)信息。計(jì)算機(jī)視覺和深度學(xué)習(xí)技術(shù)廣泛用于分割、聚類和分類任務(wù)。此外，目標(biāo)級(jí)融合也是該組件的重要組成部分。感知的輸出是被跟蹤目標(biāo)的列表以及用于場(chǎng)景理解的圖像的語(yǔ)義分割。來(lái)自HD地圖的幾何和語(yǔ)義信息也可以用于改進(jìn)目標(biāo)檢測(cè)和融合。準(zhǔn)確的感知對(duì)安全至關(guān)重要，因?yàn)楦兄e(cuò)誤會(huì)影響整個(gè)AD系統(tǒng)使用的信息質(zhì)量。因此，使用冗余的傳感器數(shù)據(jù)源可以增強(qiáng)感知準(zhǔn)確性的信心，從而提高整個(gè)系統(tǒng)的魯棒性。場(chǎng)景理解組件是AD系統(tǒng)中感知組件和高級(jí)認(rèn)知組件給出的環(huán)境抽象中級(jí)狀態(tài)表示之間的橋梁。該組件旨在通過(guò)構(gòu)建高精地圖和感知組件提供的數(shù)據(jù)，提供對(duì)駕駛場(chǎng)景的更高層次的上下文理解。在本節(jié)的后面，我們將討論如何將這兩個(gè)信息源融合，以構(gòu)建用于理解駕駛環(huán)境的場(chǎng)景表示。AD流水線中依賴于HD地圖的另一個(gè)組件是運(yùn)動(dòng)預(yù)測(cè)組件。它建立在場(chǎng)景理解提供的環(huán)境的高級(jí)時(shí)空表示的基礎(chǔ)上，以預(yù)測(cè)車輛周圍道路代理的行為。HD地圖在運(yùn)動(dòng)預(yù)測(cè)中的作用是提供場(chǎng)景中每個(gè)道路代理的先前軌跡。運(yùn)動(dòng)預(yù)測(cè)是一個(gè)高度多模態(tài)的問(wèn)題，HD地圖在其中發(fā)揮著關(guān)鍵作用，本節(jié)將對(duì)此進(jìn)行詳細(xì)討論。運(yùn)動(dòng)規(guī)劃組件旨在計(jì)算自動(dòng)駕駛汽車可行、無(wú)碰撞和安全的軌跡。這是通過(guò)優(yōu)化由在HD地圖數(shù)據(jù)上運(yùn)行的路由算法獲得的全局最短路徑以及道路代理的預(yù)測(cè)軌跡來(lái)實(shí)現(xiàn)的。運(yùn)動(dòng)規(guī)劃還包括行為規(guī)劃功能，該功能依賴于由檢測(cè)到的對(duì)象和HD地圖定義的當(dāng)前場(chǎng)景的狀態(tài)。控制部件接收計(jì)劃軌跡，并計(jì)算轉(zhuǎn)向、制動(dòng)和加速驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的控制命令?？刂平M件沒有明確依賴于地圖數(shù)據(jù)，因此在本次調(diào)查中不會(huì)考慮它。最后，如圖5所示，通過(guò)處理提供地圖數(shù)據(jù)的請(qǐng)求，使用一個(gè)特殊組件為所有其他組件提供服務(wù)。高精地圖數(shù)據(jù)通常存儲(chǔ)在地圖服務(wù)器（本地或云）查詢的數(shù)據(jù)庫(kù)中，以路由、平鋪和更新車輛中地圖客戶端的請(qǐng)求。由于路由元素需要特殊的算法處理，我們將在AD系統(tǒng)中HD地圖應(yīng)用的調(diào)查中考慮它。

B.定位

AD系統(tǒng)中的定位組件旨在估計(jì)車輛相對(duì)于全局參考坐標(biāo)系的位置和方向。其關(guān)鍵作用是持續(xù)保持系統(tǒng)中連續(xù)組件所需估計(jì)的高精度和魯棒性。定位算法的精度決定了整個(gè)AD系統(tǒng)的可靠性。惡劣天氣條件下定位的穩(wěn)健性是現(xiàn)代AD系統(tǒng)的一個(gè)關(guān)鍵要求，因?yàn)橥嘶墓烙?jì)性能可能會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重后果和潛在損害。在過(guò)去的二十年里，對(duì)定位的重大研究取得了顯著的成績(jī)，同時(shí)也產(chǎn)生了各種各樣的方法。為了保證正常運(yùn)行條件并實(shí)現(xiàn)全球系統(tǒng)安全，自動(dòng)駕駛汽車需要定位在10厘米精度以內(nèi)。

C.感知

AD系統(tǒng)中的感知組件通常與處理原始相機(jī)圖像和激光雷達(dá)點(diǎn)云相關(guān)聯(lián)，不僅用于檢測(cè)和跟蹤靜態(tài)目標(biāo)（例如，交通標(biāo)志和道路標(biāo)記），還用于檢測(cè)和追蹤動(dòng)態(tài)障礙物，例如，周圍的車輛、行人和騎自行車的人。感知是AD系統(tǒng)的關(guān)鍵核心功能之一。確保其可靠性和實(shí)時(shí)性能對(duì)于確保無(wú)碰撞導(dǎo)航至關(guān)重要。將感知數(shù)據(jù)與高精地圖各層中包含的詳細(xì)而精確的幾何和語(yǔ)義信息相融合，可以通過(guò)關(guān)注最相關(guān)的感興趣區(qū)域（ROI）來(lái)潛在地改善感知。更準(zhǔn)確地說(shuō)，HD地圖的幾何形狀允許定義ROI來(lái)過(guò)濾點(diǎn)云，只留下感知函數(shù)特別感興趣的點(diǎn)云，從而簡(jiǎn)化和提高不急檢測(cè)的計(jì)算效率。

D.場(chǎng)景理解

了解駕駛環(huán)境對(duì)于自動(dòng)駕駛汽車做出正確、安全的決策至關(guān)重要。高精地圖的早期動(dòng)機(jī)之一是為自動(dòng)駕駛汽車提供精確而詳細(xì)的信息，以幫助了解其環(huán)境。該信息使AD系統(tǒng)能夠理解當(dāng)前的駕駛狀況并解釋構(gòu)成場(chǎng)景的所有實(shí)體。地圖中包含的幾何結(jié)構(gòu)和語(yǔ)義使系統(tǒng)地構(gòu)建緊湊的數(shù)據(jù)模型和環(huán)境表示成為可能，從而使車輛能夠處理復(fù)雜的駕駛場(chǎng)景。更準(zhǔn)確地說(shuō)，AD系統(tǒng)中的場(chǎng)景理解組件，在HD地圖的幾何和語(yǔ)義信息的支持下，可以始終如一地提供有意義的感知上下文。除了原始目標(biāo)檢測(cè)，場(chǎng)景理解旨在提取和估計(jì)安全關(guān)鍵信息，并使其可用于后續(xù)處理階段。

E.ROUTING

道路級(jí)數(shù)字地圖有助于人類駕駛員導(dǎo)航。這些地圖中的路線計(jì)算不能超出使用道路級(jí)別連接的范圍，因?yàn)檫@些地圖不包括車道級(jí)別的詳細(xì)信息。準(zhǔn)確和優(yōu)化的駕駛路線對(duì)于節(jié)省時(shí)間和能源以及促進(jìn)全球車輛安全是必要的。高效和低成本的行駛路線計(jì)算必須考慮環(huán)境的車道級(jí)模型。此外，在高度動(dòng)態(tài)的環(huán)境中，當(dāng)自動(dòng)駕駛汽車在環(huán)境中導(dǎo)航時(shí)，有關(guān)交通狀態(tài)和車道占用的詳細(xì)信息對(duì)于動(dòng)態(tài)調(diào)整路線至關(guān)重要?？紤]到高精地圖靜態(tài)層的詳細(xì)和準(zhǔn)確的車道級(jí)別信息以及先驗(yàn)和實(shí)時(shí)層，有效的動(dòng)態(tài)路線計(jì)算是可能的。為了使自動(dòng)駕駛汽車中的路由子系統(tǒng)能夠計(jì)算從當(dāng)前位置到設(shè)定目的地的可行駛路徑，必須從HD地圖服務(wù)器為系統(tǒng)提供最新的地圖，如圖5所示?；蛘?，與數(shù)字地圖一樣，路線計(jì)算也可以作為一項(xiàng)服務(wù)提供。在將其準(zhǔn)確位置發(fā)送到HD地圖服務(wù)器后，可以計(jì)算最佳路線并將其反饋給車輛，以支持系統(tǒng)的其他核心組件。在過(guò)去的幾年里，這些路由服務(wù)涉及到考慮實(shí)時(shí)交通狀況和能量因素（例如，最節(jié)能的路由）。對(duì)于自動(dòng)駕駛汽車，可以考慮其他因素，例如避開ADS難以導(dǎo)航的復(fù)雜城市環(huán)境的路線，或者具有良好網(wǎng)絡(luò)覆蓋率的路線，以保證在線服務(wù)的連續(xù)連接，包括實(shí)時(shí)高精地圖服務(wù)。

F.運(yùn)動(dòng)規(guī)劃

運(yùn)動(dòng)規(guī)劃在AD系統(tǒng)中的作用是生成可行、安全、無(wú)碰撞和節(jié)能的軌跡。運(yùn)動(dòng)規(guī)劃任務(wù)通常包括軌跡生成和行為規(guī)劃。行為規(guī)劃是一種高級(jí)決策功能，用于決定不同駕駛狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換，例如變道、車道內(nèi)車輛跟馳、減速停車等。為了安全地進(jìn)行這些轉(zhuǎn)換，行為規(guī)劃器需要局部地圖和車輛感知來(lái)建立車輛環(huán)境的轉(zhuǎn)換模型。與移動(dòng)機(jī)器人中的導(dǎo)航不同，道路環(huán)境是高度結(jié)構(gòu)化的，所有道路使用者都必須遵守交通規(guī)則。生成的AD軌跡是嚴(yán)格要求的，以確保遵守交通規(guī)則，并且運(yùn)動(dòng)在可行駛的道路區(qū)域內(nèi)。自動(dòng)駕駛汽車的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃存在不同的方法，它們都在某種程度上依賴于高精地圖提供的幾何和語(yǔ)義信息來(lái)遵守交通規(guī)則。在基于樣本的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃方法中，HD地圖的車道幾何形狀用于通過(guò)拒絕不可行的候選軌跡來(lái)限制搜索空間。

G.運(yùn)動(dòng)預(yù)測(cè)

駕駛環(huán)境是高度動(dòng)態(tài)的，涉及不同的道路參與者，如行人、車輛和騎自行車的人。預(yù)測(cè)這些道路參與者未來(lái)的運(yùn)動(dòng)和行為對(duì)于自動(dòng)駕駛汽車構(gòu)建其互動(dòng)環(huán)境的上下文感知表示至關(guān)重要，從而預(yù)測(cè)潛在的危險(xiǎn)情況。從抽象的角度來(lái)看，這些交通參與者可以被認(rèn)為是一個(gè)復(fù)雜的多智能體系統(tǒng)。事實(shí)上，開發(fā)可靠的道路代理運(yùn)動(dòng)和行為預(yù)測(cè)解決方案將提高自動(dòng)駕駛汽車的安全性和能力，以適應(yīng)現(xiàn)實(shí)世界交通條件下的類人行為。預(yù)測(cè)這些交通參與者的行為對(duì)AD系統(tǒng)至關(guān)重要，主要用于風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和安全舒適的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃。運(yùn)動(dòng)預(yù)測(cè)是指根據(jù)道路代理的當(dāng)前狀態(tài)和他們所處環(huán)境的模型來(lái)估計(jì)他們的未來(lái)行為。各種研究工作已經(jīng)解決了預(yù)測(cè)道路參與者未來(lái)運(yùn)動(dòng)的問(wèn)題。

H.第三方應(yīng)用

高精地圖可以提供準(zhǔn)確可靠的GT數(shù)據(jù)，可作為校準(zhǔn)傳感器輸出的參考。例如，激光雷達(dá)可以使用高精地圖幾何元素的高精度坐標(biāo)進(jìn)行校準(zhǔn)，并與IMU完美配準(zhǔn)。通過(guò)將傳感器測(cè)量值與HD地圖數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，可以識(shí)別和糾正任何錯(cuò)誤或差異，從而改進(jìn)傳感器的校準(zhǔn)。此外，高精地圖可用于在線（自行）校準(zhǔn)。高精地圖、實(shí)時(shí)原始傳感器數(shù)據(jù)和執(zhí)行比較的算法的可用性使計(jì)算傳感器測(cè)量值和GT間的誤差成為可能。因此，它允許實(shí)時(shí)地連續(xù)校正傳感器的校準(zhǔn)誤差。這使得AD系統(tǒng)能夠?qū)Σ粩嘧兓沫h(huán)境條件以及傳感器性能變化更加穩(wěn)健和可靠。與離線校準(zhǔn)方法相比，在線校準(zhǔn)可以實(shí)現(xiàn)更準(zhǔn)確、更穩(wěn)健的傳感器校準(zhǔn)。最近，高精地圖還可以用于增強(qiáng)道路注釋，以創(chuàng)建用于交通地標(biāo)檢測(cè)的大型數(shù)據(jù)集。

構(gòu)建高精地圖

A. 移動(dòng)建圖系統(tǒng)

構(gòu)建高精地圖是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，需要幾個(gè)步驟。構(gòu)建高精地圖程序的第一步是派遣配備一套高精度和校準(zhǔn)良好的傳感器的專業(yè)車輛來(lái)調(diào)查和收集有關(guān)環(huán)境的數(shù)據(jù)。用于建圖的數(shù)據(jù)采集車輛可能配備有與RTK（實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)學(xué)）定位精度高達(dá)幾厘米的校正服務(wù)連接或?qū)崿F(xiàn)校正服務(wù)的高精度GNSS。GNSS定位測(cè)量通常與高性能IMU（慣性測(cè)量單元）和車輪里程計(jì)的測(cè)量相融合。有幾種商業(yè)產(chǎn)品將全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)和IMU作為慣性導(dǎo)航系統(tǒng)集成在一個(gè)單元中。建圖車輛還配備了一個(gè)或多個(gè)高分辨率激光雷達(dá)和攝像頭，以收集道路環(huán)境的原始3D/2D數(shù)據(jù)。有兩種方法可以設(shè)置用于繪制地圖的數(shù)據(jù)收集工具。首先是購(gòu)買上述傳感器，選擇合適的配置并將其安裝在車輛上。盡管這種方法提供了預(yù)先定義傳感器配置的靈活性；然而，將幾個(gè)不同的傳感器校準(zhǔn)到繪圖所需的精度并不是微不足道和耗時(shí)的，尤其是對(duì)于相機(jī)?；蛘撸恍┲圃焐淘谝粋€(gè)封裝中提供整套傳感器，稱為移動(dòng)建圖系統(tǒng)（MMS）。商用MMS的示例如圖6所示。

高精地圖維護(hù)

擁有最新的高清地圖對(duì)于各種AD核心組件的正確運(yùn)行至關(guān)重要。高清地圖中的錯(cuò)誤可能會(huì)由于系統(tǒng)做出的不當(dāng)決定而導(dǎo)致嚴(yán)重?fù)p壞。通過(guò)地圖車輛的頻繁更新，可以避免錯(cuò)誤的決策。由于新的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、道路維護(hù)和車道擴(kuò)建，道路環(huán)境高度動(dòng)態(tài)，可能會(huì)發(fā)生頻繁變化。繪制地圖的車輛必須能夠檢測(cè)到環(huán)境的變化，并發(fā)送它們來(lái)更新地圖。地圖更新過(guò)程涉及復(fù)雜的處理步驟，包括處理來(lái)自不同規(guī)模的多個(gè)來(lái)源和傳感器的數(shù)據(jù)，識(shí)別存儲(chǔ)的地圖和新收集的環(huán)境數(shù)據(jù)之間的偏差，并最終整合這些偏差來(lái)更新地圖的不同層。文獻(xiàn)中已經(jīng)開發(fā)了幾種方法和方法來(lái)捕捉高清地圖的變化并進(jìn)行更新。在下文中，我們回顧了檢測(cè)高清地圖變化的不同方法和方法，以及如何將這些信息應(yīng)用于更新地圖。我們調(diào)查以前維護(hù)高清地圖的工作所遵循的方法是基于分析每種最先進(jìn)的方法維護(hù)的圖層，如表3所示。

A.地圖變換檢測(cè)

高清地圖中的變化檢測(cè)是指識(shí)別環(huán)境變化的過(guò)程，如新建筑、道路封閉等。隨后相應(yīng)地更新地圖的圖層。高清地圖會(huì)定期發(fā)生變化，擁有一張可以被自動(dòng)駕駛汽車信任的地圖對(duì)于保證導(dǎo)航安全至關(guān)重要。變化檢測(cè)通常通過(guò)使用各種傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)，如相機(jī)、激光雷達(dá)和雷達(dá)，并結(jié)合計(jì)算機(jī)視覺算法和機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)。甚至在高清地圖出現(xiàn)之前，變化檢測(cè)算法就已經(jīng)在許多應(yīng)用中找到了用武之地。遙感是地圖變化檢測(cè)和更新的早期應(yīng)用之一。它還成功應(yīng)用于城市監(jiān)測(cè)、森林變化、危機(jī)監(jiān)測(cè)、三維地理信息更新、施工進(jìn)度監(jiān)測(cè)和資源調(diào)查。在這些應(yīng)用程序的最基本層面上，問(wèn)題相當(dāng)于比較原始傳感器數(shù)據(jù)，主要是3D點(diǎn)云、2D圖像或兩者結(jié)合。

B.地圖數(shù)據(jù)更新

HD地圖維護(hù)的第二階段是基于變化檢測(cè)的結(jié)果來(lái)更新地圖元素。簡(jiǎn)單地說(shuō)，地圖更新相當(dāng)于一個(gè)概率數(shù)據(jù)融合問(wèn)題。近乎實(shí)時(shí)地持續(xù)監(jiān)測(cè)不斷變化的環(huán)境中的變化，并融合時(shí)間和空間上的不同數(shù)據(jù)模式，以及從不同來(lái)源更新多個(gè)層，這確實(shí)是一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。Cadena等人在他們的調(diào)查論文中指出，更新和維護(hù)大型自動(dòng)駕駛汽車車隊(duì)創(chuàng)建和使用的高清地圖的分布式過(guò)程是未來(lái)研究的一個(gè)令人信服的主題。朝著這個(gè)方向，Kim等人提出了一種從眾包點(diǎn)云數(shù)據(jù)中保持新特征圖層最新的解決方案。這種新的特征圖形成了構(gòu)建HD地圖的不同語(yǔ)義和幾何特征的基礎(chǔ)。

高清地圖的數(shù)據(jù)和通信基礎(chǔ)設(shè)施

大規(guī)模構(gòu)建和維護(hù)高清地圖是多個(gè)利益相關(guān)者之間的數(shù)據(jù)交換問(wèn)題，例如，作為ITS路邊基礎(chǔ)設(shè)施所有者的政府、地圖提供商和車輛，如圖7所示。地圖數(shù)據(jù)的收集、構(gòu)建、維護(hù)和分發(fā)需要可靠的通信和分布式計(jì)算基礎(chǔ)設(shè)施。本節(jié)討論了擴(kuò)展高清地圖的創(chuàng)建、維護(hù)和分發(fā)所需的數(shù)據(jù)和通信基礎(chǔ)設(shè)施。

挑戰(zhàn)和未來(lái)展望

盡管CCAM在過(guò)去十年中取得了顯著進(jìn)步，但實(shí)現(xiàn)車輛的完全自主仍然是一個(gè)尚未解決的挑戰(zhàn)。對(duì)于要大規(guī)模部署的自動(dòng)駕駛汽車來(lái)說(shuō)，高清地圖的可擴(kuò)展解決方案至關(guān)重要。在本節(jié)中，我們闡明了需要解決的各種挑戰(zhàn)，以充分發(fā)揮高清地圖CCAM的潛力。毫無(wú)疑問(wèn)，在利益相關(guān)者之間構(gòu)建、維護(hù)和分發(fā)地圖數(shù)據(jù)的成本效益和靈活性解決方案的可用性將大大提高CCAM在未來(lái)幾代智能城市中的可擴(kuò)展性。此外，我們還討論了高清地圖的未來(lái)前景和應(yīng)用。

A.挑戰(zhàn)

• 標(biāo)準(zhǔn)化與數(shù)據(jù)表示：高清地圖的概念已被廣泛接受，成為CCAM的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。然而，對(duì)于如何表示地圖數(shù)據(jù)、需要多少層、每個(gè)層中必須存儲(chǔ)什么地圖數(shù)據(jù)以及以何種數(shù)據(jù)格式存儲(chǔ)地圖數(shù)據(jù)，沒有達(dá)成一致意見。由于高清地圖的復(fù)雜性及其包含的大量數(shù)據(jù)和信息，很難為其定義一個(gè)通用標(biāo)準(zhǔn)，因此創(chuàng)建一個(gè)全面且易于理解、存儲(chǔ)、維護(hù)、更新和有效分發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)具有挑戰(zhàn)性。為地圖數(shù)據(jù)定義一個(gè)通用標(biāo)準(zhǔn)將提供更多的數(shù)據(jù)兼容性，方便訪問(wèn)數(shù)據(jù)，同時(shí)降低開發(fā)和集成成本。此外，這將提高數(shù)據(jù)的質(zhì)量、一致性和隱私性，從而提高包括自動(dòng)化車輛在內(nèi)的所有參與者的道路安全。
• 可擴(kuò)展性：可擴(kuò)展的高清地圖解決方案對(duì)自動(dòng)駕駛汽車的大規(guī)模部署至關(guān)重要。構(gòu)建城市、地區(qū)和全國(guó)范圍的高清地圖并保持其更新仍然是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)，尤其是在處理用于表示幾何道路特征和交通標(biāo)志的不同標(biāo)準(zhǔn)、交通規(guī)則和條例時(shí)。這些標(biāo)準(zhǔn)因地區(qū)而異。映射算法必須是通用的，并且能夠在不同的地區(qū)和國(guó)家工作。映射應(yīng)該是一個(gè)連續(xù)的數(shù)據(jù)收集和處理過(guò)程，以修復(fù)已更改的區(qū)域。這一過(guò)程在大的地理區(qū)域變得具有挑戰(zhàn)性，在這些區(qū)域，大量的車輛必須成為地圖繪制過(guò)程的一部分。繪制地圖的成本直接取決于要繪制地圖的區(qū)域有多大以及為其服務(wù)所需的車輛數(shù)量。正如本文早期所討論的，繪制地圖的車輛非常昂貴。此外，使用配備消費(fèi)級(jí)傳感器的單獨(dú)車輛需要復(fù)雜的算法，這些算法尚未成熟。
• 網(wǎng)絡(luò)和計(jì)算基礎(chǔ)設(shè)施：在構(gòu)建和更新可擴(kuò)展高清地圖的情況下，處理和處理大量數(shù)據(jù)需要可靠的網(wǎng)絡(luò)和計(jì)算基礎(chǔ)設(shè)施，該基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)協(xié)調(diào)且接近實(shí)時(shí)。隨著5G/6G蜂窩通信、物聯(lián)網(wǎng)（IoT）和邊緣計(jì)算架構(gòu)的出現(xiàn)，車載通信的許多機(jī)會(huì)普遍可用，處理構(gòu)建高清地圖的解決方案成為商業(yè)上可行的選擇。這些通信和計(jì)算基礎(chǔ)設(shè)施旨在處理此類數(shù)據(jù)密集型應(yīng)用程序，并滿足其延遲和帶寬要求。具有大量聯(lián)網(wǎng)車輛的大規(guī)模眾包地圖將是這些基礎(chǔ)設(shè)施的主要應(yīng)用之一。
• 建圖算法的限制：盡管在構(gòu)建高清地圖的自動(dòng)化過(guò)程中付出了巨大的研發(fā)努力，但高清地圖的最新研究結(jié)果清楚地表明，用于提取高清地圖特征和構(gòu)建道路和車道拓?fù)涞牡貓D算法仍然局限于簡(jiǎn)單的特征。目前最先進(jìn)的算法可以檢測(cè)簡(jiǎn)單的幾何特征，但無(wú)法處理高曲率特征，例如環(huán)形交叉路口。此外，這些方法中的大多數(shù)都需要幾個(gè)后處理步驟才能以合適的矢量格式獲得特征。地圖語(yǔ)義特征仍然局限于極少數(shù)且易于檢測(cè)的交通標(biāo)志。最近很少有工作開始解決構(gòu)建車道拓?fù)湟詷?gòu)建簡(jiǎn)化的道路/車道連接網(wǎng)絡(luò)的問(wèn)題。開發(fā)一個(gè)通用的地圖管道可以構(gòu)建一個(gè)包含幾何、語(yǔ)義和拓?fù)湫畔⒌娜δ芨咔宓貓D。建造這樣一條管道仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。
• 地圖數(shù)據(jù)所有權(quán)、隱私、完整性和分發(fā)：構(gòu)建和維護(hù)高清地圖的未來(lái)將是自動(dòng)化和分發(fā)數(shù)百萬(wàn)輛汽車所涉及的過(guò)程。從環(huán)境中收集、處理和存儲(chǔ)大量分布式數(shù)據(jù)引起了對(duì)數(shù)據(jù)所有權(quán)、隱私、完整性和分發(fā)的一些擔(dān)憂。原始地圖數(shù)據(jù)是在車輛中生成的，與來(lái)自公共當(dāng)局的其他數(shù)據(jù)源聚合，由地圖提供商處理和分發(fā)。從收集到分發(fā)的地圖數(shù)據(jù)所有權(quán)可能需要在大規(guī)模高清地圖中解決。此外，保護(hù)個(gè)人和車輛的隱私至關(guān)重要，在繪圖過(guò)程中必須加以考慮。地圖數(shù)據(jù)可以包括敏感的用戶信息，例如車輛的精確位置以及車輛環(huán)境的精確描述。必須確保高清地圖數(shù)據(jù)的完整性，以避免錯(cuò)誤和致命的決策，尤其是在自動(dòng)駕駛汽車使用時(shí)。構(gòu)建準(zhǔn)確可靠的高清地圖仍然是一個(gè)正在進(jìn)行的研究問(wèn)題。商用高清地圖通常要經(jīng)過(guò)人工檢查和驗(yàn)證。從多個(gè)數(shù)據(jù)源生成準(zhǔn)確可靠的高清地圖數(shù)據(jù)，例如通過(guò)眾包生成，帶來(lái)了一些有待解決的技術(shù)問(wèn)題?？蓴U(kuò)展高清地圖的所有權(quán)、隱私和完整性最近開始引起研究人員的注意。另一方面，區(qū)塊鏈由于其分布式和安全性，已被證明是一種很有前途的解決方案，可確保數(shù)據(jù)完整性。構(gòu)建和更新可擴(kuò)展高清地圖，同時(shí)保持?jǐn)?shù)據(jù)的可追溯性、隱私性和完整性的用例是區(qū)塊鏈的完美應(yīng)用。這項(xiàng)技術(shù)有望在構(gòu)建和分發(fā)下一代高清地圖方面發(fā)揮核心作用。

B.未來(lái)方向

• 精準(zhǔn)：精確定位一直是將高清地圖引入自動(dòng)駕駛汽車的主要?jiǎng)訖C(jī)之一。道路環(huán)境的密集、緊湊表示的存在是高清地圖的基礎(chǔ)；尤其是在本地化方面。HD地圖中包含的信息密度和處理這些信息所需的計(jì)算工作量之間一直存在折衷。神經(jīng)3D場(chǎng)景表示的最新進(jìn)展使以非常緊湊的表示方式重建真實(shí)感3D場(chǎng)景成為可能。使用神經(jīng)輻射場(chǎng)（NeFR）表示基礎(chǔ)地圖層允許受益于該層的緊湊和真實(shí)感表示。這項(xiàng)技術(shù)可能會(huì)讓自動(dòng)駕駛汽車進(jìn)入一個(gè)新時(shí)代。
• 自動(dòng)駕駛以外的應(yīng)用：高清地圖的開發(fā)主要是為了幫助自動(dòng)駕駛汽車了解環(huán)境并在環(huán)境中安全導(dǎo)航。由于高清地圖提供了詳細(xì)而精確的環(huán)境表示，因此也可以用于提高經(jīng)典數(shù)字地圖提供的各種服務(wù)的質(zhì)量。此外，高清地圖在殘疾人數(shù)字輔助技術(shù)中發(fā)揮著重要作用。如果視障人士配備了合適的傳感器，并能夠獲得高度精確、詳細(xì)和語(yǔ)義豐富的環(huán)境表示，他們的行動(dòng)能力和安全性可以顯著提高。如果精確定位，數(shù)字輔助設(shè)備將能夠解釋和理解環(huán)境，從而生成語(yǔ)音導(dǎo)航消息以實(shí)現(xiàn)安全導(dǎo)航。行人高清地圖中交通信號(hào)燈和其他交通信息的實(shí)時(shí)狀態(tài)與增強(qiáng)這些設(shè)備的功能有關(guān)。目前，大多數(shù)高清地圖提供商只提供代表車輛環(huán)境的地圖。今天的高清地圖中仍然沒有繪制車輛以外參與者的路線圖，例如行人人行道和自行車道。為所有參與者構(gòu)建和更新高清地圖將為實(shí)現(xiàn)廣泛的自主和非自主導(dǎo)航以及一些有用的數(shù)字服務(wù)鋪平道路。
• 面向數(shù)字孿生：環(huán)境數(shù)字孿生是環(huán)境的整體數(shù)字表示，包括其所有物理和功能特征。城市規(guī)模的數(shù)字孿生是CCAM中的一個(gè)新興概念，旨在構(gòu)建一個(gè)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的模型，該模型將來(lái)自物聯(lián)網(wǎng)傳感器、聯(lián)網(wǎng)車輛、建筑、智能基礎(chǔ)設(shè)施和交通網(wǎng)絡(luò)以及所有其他數(shù)據(jù)源的各種來(lái)源的數(shù)據(jù)相結(jié)合，以幫助創(chuàng)建一個(gè)全面、實(shí)時(shí)的城市模型，從而改善道路服務(wù)。這一概念將高清地圖作為聯(lián)網(wǎng)和自動(dòng)駕駛汽車的數(shù)字模型概括為幫助社會(huì)中所有實(shí)體的整體數(shù)字模型。數(shù)字孿生甚至可以用于對(duì)環(huán)境中不同實(shí)體的行為進(jìn)行建模，即使是在微觀細(xì)節(jié)層面上。高清地圖將是數(shù)字孿生的單個(gè)模塊，支持我們智能城市中聯(lián)網(wǎng)和自動(dòng)駕駛汽車的不同功能和服務(wù)。由于高清地圖可用于模擬復(fù)雜的駕駛場(chǎng)景，數(shù)字孿生將用于模擬和分析這些車輛的復(fù)雜城市規(guī)模場(chǎng)景。數(shù)字孿生將允許研究、分析和模擬新開發(fā)項(xiàng)目的影響或交通模式變化的影響，并可以幫助城市規(guī)劃者和決策者通過(guò)預(yù)測(cè)未來(lái)情景來(lái)分析和優(yōu)化城市的表現(xiàn)，并確定改進(jìn)的機(jī)會(huì)。建立一個(gè)城市規(guī)模的數(shù)字孿生確實(shí)是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)，需要大量的數(shù)據(jù)，而且這可能是一個(gè)復(fù)雜而耗時(shí)的過(guò)程。分布式大量數(shù)據(jù)的交叉驗(yàn)證、完整性和可信度仍然是創(chuàng)建數(shù)字雙胞胎的挑戰(zhàn)。車輛的眾包道路地圖繪制將被同時(shí)使用異構(gòu)連接傳感器的大量數(shù)據(jù)進(jìn)行室外和室內(nèi)地圖繪制的統(tǒng)一過(guò)程所取代。

結(jié)論

高清地圖仍然是現(xiàn)實(shí)世界CCAM應(yīng)用程序的一個(gè)快速發(fā)展的方面，推動(dòng)了該領(lǐng)域的創(chuàng)新和進(jìn)步。盡管在高清地圖在AD系統(tǒng)中的應(yīng)用以及構(gòu)建和維護(hù)高清地圖的算法和基礎(chǔ)設(shè)施方面進(jìn)行了大量的研究和開發(fā)工作，但很少有文獻(xiàn)可以總結(jié)和提供這些工作的立足點(diǎn)。本文廣泛回顧了以往關(guān)于構(gòu)建和維護(hù)高清地圖的工作，包括成本效益高的解決方案，以及從生成到分發(fā)的通信和地圖數(shù)據(jù)要求。此外，本文還討論了當(dāng)前在構(gòu)建和維護(hù)高清地圖方面面臨的挑戰(zhàn)。更準(zhǔn)確地說(shuō)，我們提供了高清地圖的獨(dú)立概述，作為更廣泛的智能交通系統(tǒng)社區(qū)的背景。我們還討論和分析了將高清地圖用于AD系統(tǒng)中各種核心功能的最新技術(shù)。此外，我們廣泛討論和回顧了構(gòu)建不同層次的高清地圖并使其保持最新的不同方法、方法和算法。最后，我們對(duì)下一代移動(dòng)應(yīng)用的高清地圖的未來(lái)發(fā)展進(jìn)行了一些說(shuō)明。