機(jī)器學(xué)習(xí)在高度自動(dòng)化駕駛中的機(jī)遇和挑戰(zhàn)

在過去的幾年里，機(jī)器學(xué)習(xí)一直是研究和工業(yè)中最熱門的話題之一。與幾十年前機(jī)器學(xué)習(xí)的出現(xiàn)相比，計(jì)算性能和算法的最新進(jìn)展引起了人們的重新關(guān)注。

最近在人工智能方面取得的令人印象深刻的成果得益于機(jī)器學(xué)習(xí)，尤其是深度學(xué)習(xí)解決方案。應(yīng)用包括自然語言處理（NLP），個(gè)人協(xié)助，AlphaGo戰(zhàn)勝人類，以及在學(xué)習(xí)玩Atari游戲時(shí)實(shí)現(xiàn)人類水平的行為。

考慮到機(jī)器學(xué)習(xí)和深度學(xué)習(xí)在解決極其復(fù)雜的問題時(shí)能夠取得如此令人印象深刻的結(jié)果，很明顯，研究人員和工程師也考慮將它們應(yīng)用于自動(dòng)駕駛汽車的高度自動(dòng)駕駛（HAD）場景。NVIDIA的Davenet，Comma.Ai，Google Car和Tesla在這一領(lǐng)域取得了第一個(gè)有希望的結(jié)果。機(jī)器學(xué)習(xí)和深度學(xué)習(xí)方法已經(jīng)產(chǎn)生了最初的原型，但這些功能的工業(yè)化帶來了額外的挑戰(zhàn)，例如，基本的功能安全考慮。

本文旨在促進(jìn)關(guān)于機(jī)器學(xué)習(xí)在汽車行業(yè)中的作用的持續(xù)討論，并強(qiáng)調(diào)該主題在自動(dòng)駕駛汽車背景下的重要性。特別是，它旨在增加對機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)的功能和局限性的理解。

首先，我們在EB robinos參考架構(gòu)的背景下討論了基于機(jī)器學(xué)習(xí)的高度自動(dòng)駕駛的設(shè)計(jì)空間和架構(gòu)替代方案。然后詳細(xì)介紹了 Elektrobit 目前正在研發(fā)的兩個(gè)選定用例。

第二部分提供了機(jī)器學(xué)習(xí)和深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（DNN）的理論背景，為根據(jù)給定任務(wù)選擇機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)提供了基礎(chǔ)。最后，第三部分討論了影響功能安全考慮因素的驗(yàn)證和確認(rèn)挑戰(zhàn)。

機(jī)器學(xué)習(xí)和高度自動(dòng)化駕駛

開發(fā)導(dǎo)致自動(dòng)駕駛汽車的高度自動(dòng)化駕駛功能是一項(xiàng)復(fù)雜且不平凡的任務(wù)。工程師通常使用分而治之的原則來應(yīng)對此類挑戰(zhàn)。這是有充分理由的：具有明確定義接口的分解系統(tǒng)可以比單個(gè)黑匣子更徹底地進(jìn)行測試和驗(yàn)證。

我們的高度自動(dòng)駕駛方法是EB robinos，如圖1所示。EB robinos 是一種具有開放接口和軟件模塊的功能軟件架構(gòu)，允許開發(fā)人員管理自動(dòng)駕駛的復(fù)雜性。EB robinos 參考架構(gòu)按照“感知、計(jì)劃、行動(dòng)”分解范式集成了組件。此外，它在其軟件模塊中利用機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)，以應(yīng)對高度非結(jié)構(gòu)化的現(xiàn)實(shí)世界駕駛環(huán)境。以下小節(jié)包含 EB robinos 中集成的技術(shù)的精選示例。

圖1.開放式 EB robinos 參考架構(gòu)。

相比之下，端到端的深度學(xué)習(xí)方法也存在，它涵蓋了從感覺到行動(dòng)的所有內(nèi)容（Bojarski et al. 2016）。然而，關(guān)于極端情況和罕見事件的處理和訓(xùn)練，以及必要的指數(shù)訓(xùn)練數(shù)據(jù)量，分解方法（即語義抽象）被認(rèn)為是更合理的（Shalev-Shwartz et al. 2016）。

然而，即使采用分解方法，也需要決定哪些部分最好與其他部分單獨(dú)處理或與其他部分組合。還需要確定機(jī)器學(xué)習(xí)方法是否有望勝過傳統(tǒng)工程算法來完成特定塊完成的任務(wù)。同樣重要的是，此決定可能會(huì)受到功能安全考慮的影響。功能安全是自動(dòng)駕駛的關(guān)鍵要素，如本系列后面所述。傳統(tǒng)的軟件組件是根據(jù)具體需求編寫的，并進(jìn)行了相應(yīng)的測試。

機(jī)器學(xué)習(xí)系統(tǒng)的測試和驗(yàn)證的主要問題是它們的黑盒性質(zhì)和學(xué)習(xí)方法的隨機(jī)行為。基本上不可能預(yù)測系統(tǒng)如何學(xué)習(xí)其結(jié)構(gòu)。

上面給出的標(biāo)準(zhǔn)和理論背景可以為明智的決策提供指導(dǎo)。Elektrobit目前正在研究和開發(fā)機(jī)器學(xué)習(xí)方法被認(rèn)為很有前途的用例。接下來將介紹兩個(gè)這樣的用例。第一個(gè)涉及為機(jī)器學(xué)習(xí)算法生成人工訓(xùn)練樣本及其在交通標(biāo)志識(shí)別中的部署。第二個(gè)用例描述了我們的自學(xué)汽車方法。這兩個(gè)例子都利用了當(dāng)前尖端的深度學(xué)習(xí)技術(shù)。

用例 1：人工樣本生成和交通標(biāo)志識(shí)別

本項(xiàng)目提出了一種限速和限行結(jié)束交通標(biāo)志（TS）識(shí)別系統(tǒng)，以增強(qiáng)入口導(dǎo)航系統(tǒng)中使用的OpenStreetMap（OSM）數(shù)據(jù)。目的是在可以安裝在汽車擋風(fēng)玻璃上的標(biāo)準(zhǔn)智能手機(jī)上運(yùn)行該算法。該系統(tǒng)檢測交通標(biāo)志及其GPS位置，并通過手機(jī)的移動(dòng)數(shù)據(jù)連接將收集的數(shù)據(jù)上傳到后端服務(wù)器。該方法主要分為兩個(gè)階段：檢測和識(shí)別。檢測是通過提升分類器實(shí)現(xiàn)的。識(shí)別是通過概率貝葉斯推理框架執(zhí)行的，該框架融合了一組視覺概率過濾器提供的信息。本文的下一期將介紹所用算法背后的理論背景。圖 2 描繪了交通標(biāo)志識(shí)別 （TSR） 算法的框圖。

圖2：基于智能手機(jī)的TSR系統(tǒng)框圖

獲得的彩色圖像以24位RGB格式傳遞給檢測器。檢測過程通過評估通過檢測窗口計(jì)算的級聯(lián)分類器的響應(yīng)來執(zhí)行。

此檢測窗口以不同的比例在圖像中移動(dòng)。可能的交通標(biāo)志感興趣區(qū)域 （RoI） 被收集為一組對象假設(shè)。從特征提取的角度來看，分類級聯(lián)使用擴(kuò)展的局部二進(jìn)制模式 （eLPB） 進(jìn)行訓(xùn)練。假設(shè)向量中的每個(gè)元素都通過支持向量機(jī) （SVM） 學(xué)習(xí)算法分類為交通標(biāo)志。

交通標(biāo)志識(shí)別方法依賴于手動(dòng)標(biāo)記的交通標(biāo)志，這些交通標(biāo)志用于訓(xùn)練檢測和識(shí)別分類器。由于不同國家/地區(qū)使用的交通標(biāo)志模板多種多樣，標(biāo)簽過程繁瑣且容易出錯(cuò)。

交通標(biāo)志識(shí)別方法需要每個(gè)國家/地區(qū)的特定訓(xùn)練數(shù)據(jù)才能正常運(yùn)行。創(chuàng)建足夠的手動(dòng)標(biāo)記交通標(biāo)志非常耗時(shí)，因?yàn)楸仨毧紤]位置、照明和天氣條件。

因此，Elektrobit 創(chuàng)建了一種算法，可以從單個(gè)人工模板圖像自動(dòng)生成訓(xùn)練數(shù)據(jù)，以克服手動(dòng)注釋大量訓(xùn)練樣本的挑戰(zhàn)。圖 4 顯示了該算法的結(jié)構(gòu)。

圖4.基于機(jī)器學(xué)習(xí)的識(shí)別系統(tǒng)的人工樣本生成算法框圖。

此方法提供了一種生成用于機(jī)器學(xué)習(xí)算法訓(xùn)練階段的人工數(shù)據(jù)的方法。該方法使用每個(gè)國家/地區(qū)的真實(shí)和通用交通標(biāo)志圖像模板的簡化數(shù)據(jù)集來輸出圖像集合。

這些圖像的特征是由一系列圖像模板變形算法人為定義的。使用核主成分分析（KPCA）對這樣獲得的人工圖像進(jìn)行對比一組簡化的真實(shí)世界圖像進(jìn)行評估。人工數(shù)據(jù)集適用于機(jī)器學(xué)習(xí)系統(tǒng)的訓(xùn)練，在這種特殊情況下用于交通標(biāo)志識(shí)別，當(dāng)生成的圖像的特征與真實(shí)圖像的特征相對應(yīng)時(shí)。

Elektrobit 用基于深度區(qū)域的檢測和識(shí)別卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)取代了 Boost SVM 分類器，以提高原始交通標(biāo)志識(shí)別系統(tǒng)的精度。該網(wǎng)絡(luò)使用 Caffe （Jia et al. 2014） 部署，Caffe 是由 Berkley 開發(fā)并由 NVIDIA 支持的深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)庫。Caffe 是一個(gè)具有 Python 和 Matlab 接口的純 C++/CUDA 庫。除了其核心深度學(xué)習(xí)功能外，Caffe還提供了可以直接用于機(jī)器學(xué)習(xí)應(yīng)用程序的參考深度學(xué)習(xí)模型。圖 5 顯示了用于交通標(biāo)志檢測和識(shí)別的 Caffe 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。不同的彩色塊表示卷積（紅色）、池化（黃色）、激活（綠色）和完全連接的網(wǎng)絡(luò)層（紫色）。

圖5.Caffe中基于深度區(qū)域的檢測和識(shí)別卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。

用例 2：學(xué)習(xí)如何駕駛

深度學(xué)習(xí)的革命最近增加了對另一種范式的關(guān)注，即強(qiáng)化學(xué)習(xí)（RL）。在RL中，代理自己學(xué)習(xí)如何通過獎(jiǎng)勵(lì)系統(tǒng)執(zhí)行某些任務(wù)。該方法屬于半監(jiān)督學(xué)習(xí)的范疇，因?yàn)楠?jiǎng)勵(lì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需要特定領(lǐng)域的知識(shí)。

即使輸入數(shù)據(jù)沒有必需的標(biāo)簽，與監(jiān)督學(xué)習(xí)相比也是如此。最近對RL的興趣主要是由于Deep Mind團(tuán)隊(duì)的開創(chuàng)性工作。該團(tuán)隊(duì)設(shè)法將RL與能夠?qū)W習(xí)動(dòng)作值函數(shù)的深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合（Mnih等人，2016）。他們的系統(tǒng)能夠?qū)W會(huì)以人類水平的能力玩幾款雅達(dá)利游戲。

我們構(gòu)建了深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)系統(tǒng)，如圖6所示，以便安全地進(jìn)行自動(dòng)駕駛學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)。該系統(tǒng)使用TORCS開源賽車模擬器（Wymann等人，2014）。TORCS在科學(xué)界被廣泛用作高度便攜的多平臺(tái)賽車模擬器。它運(yùn)行在Linux（所有架構(gòu)，32位和64位，小端和大端），F(xiàn)reeBSD，OpenSolaris，MacOSX和Windows（32位和64位）。它具有許多不同的汽車，賽道和對手。我們可以從游戲引擎收集用于對象檢測的圖像以及關(guān)鍵駕駛指示器。這些指標(biāo)包括汽車的速度，自我汽車與道路中心線的相對位置，以及與前車的距離。

圖6.深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)架構(gòu)，用于學(xué)習(xí)如何在模擬器中駕駛。

該算法的目標(biāo)是通過與虛擬環(huán)境交互來自學(xué)駕駛命令。為此目的使用了深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)范式，其中深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（DNN）通過強(qiáng)化提供正獎(jiǎng)勵(lì)信號(hào)的動(dòng)作a來訓(xùn)練。狀態(tài)由模擬器窗口中所示的當(dāng)前游戲圖像表示。有四種可能的動(dòng)作：加速、減速、左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn)。r（s^‘，a）s

DNN 計(jì)算一個(gè)所謂的函數(shù)，該函數(shù)預(yù)測針對特定狀態(tài)要執(zhí)行的最佳操作 a。換句話說，DNN 計(jì)算每個(gè)狀態(tài)-操作對的值。將執(zhí)行具有最高值的操作，這會(huì)將模擬器環(huán)境移動(dòng)到下一個(gè)狀態(tài)。在此狀態(tài)下，通過獎(jiǎng)勵(lì)信號(hào)評估執(zhí)行的操作。Q-sQ-Q-sr（s’，a）

例如，如果汽車能夠在不發(fā)生碰撞的情況下加速，則使這成為可能的相關(guān)動(dòng)作將在 DNN 中得到加強(qiáng);否則，將不鼓勵(lì)。強(qiáng)化是通過使用狀態(tài)獎(jiǎng)勵(lì)信號(hào)重新訓(xùn)練 DNN 在框架中執(zhí)行的。圖 7 顯示了深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)算法的 Caffe 實(shí)現(xiàn)。網(wǎng)絡(luò)層的顏色編碼與圖 6 相同。

圖7.一種基于Caffe的深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，用于深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)。

第二部分定義了機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)的理論背景，以及汽車開發(fā)人員可用的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)類型。

審核編輯：郭婷