把自動駕駛汽車想象成一個(gè)不斷學(xué)習(xí)并做決定的人，車上的“眼睛”負(fù)責(zé)看（感知）、“記憶/推理”負(fù)責(zé)想（預(yù)測與決策）、“手腳”負(fù)責(zé)做（規(guī)劃與控制），決策系統(tǒng)則處在這個(gè)鏈條的中間位置。它把來自感知（相機(jī)、雷達(dá)、激光雷達(dá)、定位、地圖等）的信息和預(yù)測模塊（對周圍行人、車輛未來行為的猜測）整合起來，輸出“我下一步要怎么走、以什么速度走、如何避讓”等指令。決策并不是單一的動作，而是一個(gè)層級化的流程，先想清楚要干什么（行為層，像是“變道”“左轉(zhuǎn)”“減速跟車”），再把這個(gè)行為轉(zhuǎn)成一條具體的、安全可執(zhí)行的軌跡（軌跡層），最后把軌跡交給底層控制器去跟蹤（控制層）。

決策系統(tǒng)要同時(shí)滿足安全（永遠(yuǎn)優(yōu)先）、舒適（不要讓乘客暈）、合法（遵守交通規(guī)則）、高效（不無謂地慢）以及可解釋（出了問題能查原因）等要求。但這些要求恰恰會產(chǎn)生沖突，最安全的動作可能太保守影響效率，最快的動作可能帶來風(fēng)險(xiǎn)，所以決策系統(tǒng)本質(zhì)上是在這些要求之間做權(quán)衡的過程。

經(jīng)典與主流的方法：層級、優(yōu)化與規(guī)則

長期以來，自動駕駛的決策與規(guī)劃主要沿著“層級化＋優(yōu)化/采樣”的路線發(fā)展，系統(tǒng)會先基于地圖和當(dāng)前交通情形選擇一個(gè)合理的策略，例如在交叉口是“先等候再左轉(zhuǎn)”還是“突出加速通過”，通過這些合理的策略，可以確保自動駕駛汽車安全行駛。

為了能夠生成更安全的軌跡，常用的方法分為兩類，即采樣/搜索類和優(yōu)化類。采樣類方法通過生成若干候選軌跡（基于軌跡庫或隨機(jī)采樣），評估每條軌跡的代價(jià)（碰撞風(fēng)險(xiǎn)、舒適性、距離、法規(guī)約束等），然后選擇代價(jià)最低的那一條。這類方法實(shí)現(xiàn)直觀，但當(dāng)情形復(fù)雜時(shí)需要大量候選樣本，計(jì)算量容易爆炸。

優(yōu)化類方法把軌跡看成一個(gè)連續(xù)的函數(shù)，用數(shù)學(xué)優(yōu)化求最小代價(jià)路徑，常見的工具包括基于拉格朗日的優(yōu)化、迭代線性二次調(diào)節(jié)（iLQR）、以及模型預(yù)測控制（MPC）。MPC特別受歡迎，因?yàn)樗�把動力學(xué)約束、狀態(tài)與控制約束直接納入優(yōu)化問題，還能以有限時(shí)域滾動優(yōu)化的方式去應(yīng)對環(huán)境變化，這使得控制既能考慮未來又能實(shí)時(shí)運(yùn)行。

除了純數(shù)學(xué)的優(yōu)化外，規(guī)則/符號化方法也被廣泛用于保證安全行駛。例如Mobileye提出的Responsibility-Sensitive Safety（RSS）提出了一套數(shù)學(xué)化的“常識駕駛規(guī)則”，用來判斷何時(shí)應(yīng)該采取防御性動作，從而為系統(tǒng)提供白盒式的安全保證。RSS強(qiáng)調(diào)可驗(yàn)證性與可解釋性，是工業(yè)界推行“可證明安全”思路的代表之一。

在很多商用系統(tǒng)里，還會加一層“安全裁判”或“監(jiān)護(hù)層”（supervisorysafetylayer），它不是去生成軌跡，而是在主規(guī)劃動作可能造成危險(xiǎn)時(shí)進(jìn)行攔截或修正。近年常把學(xué)習(xí)型模塊（負(fù)責(zé)復(fù)雜場景下做出靈活行為）與基于物理/規(guī)則的安全模塊（保證萬一學(xué)習(xí)出錯(cuò)時(shí)仍不致于發(fā)生危險(xiǎn)）結(jié)合起來，形成“學(xué)習(xí)+證據(jù)化安全”的混合結(jié)構(gòu)。

近兩年的新技術(shù)熱點(diǎn)

現(xiàn)在自動駕駛行業(yè)有一個(gè)非常明顯的趨勢，第一個(gè)是把預(yù)測與規(guī)劃之間的界限變得模糊，過去感知負(fù)責(zé)“看”，預(yù)測負(fù)責(zé)“猜未來”，規(guī)劃負(fù)責(zé)“決定”；現(xiàn)在越來越多的工作嘗試把世界建模（worldmodeling）、多主體行為預(yù)測與軌跡生成緊耦合，甚至把規(guī)劃也放到同一個(gè)學(xué)習(xí)框架里去訓(xùn)練。

Transformer架構(gòu)因其優(yōu)秀的時(shí)序與交互建模能力被廣泛采用。像MTR（Motion TRansformer）和Agent Former這樣的工作展示了Transformer在多主體、長時(shí)序軌跡預(yù)測上的強(qiáng)勁表現(xiàn)；它們能夠用自注意力機(jī)制去捕捉不同交通參與者之間的交互，從而生成更合理、具多模態(tài)性的未來軌跡預(yù)測。

與之相關(guān)的第二個(gè)趨勢是擴(kuò)散（diffusion）模型被引入到軌跡預(yù)測與采樣生成領(lǐng)域。擴(kuò)散模型擅長從復(fù)雜分布中生成高質(zhì)量且多樣化的樣本，擴(kuò)散方法能更好地表達(dá)未來的不確定性，生成的軌跡模式通常比傳統(tǒng)高斯混合或簡單回歸更豐富。

第三個(gè)大趨勢是BEV（Bird’s Eye View，俯視圖），把原始相機(jī)/雷達(dá)/激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)先投影或轉(zhuǎn)換成車輛局部的俯視格網(wǎng)或向量化地圖，再在這個(gè)BEV表示上做感知、軌跡預(yù)測和規(guī)劃。BEV的好處在于它把空間結(jié)構(gòu)顯式化，使得后續(xù)的規(guī)劃模塊可以直接在統(tǒng)一的空間中做代價(jià)評估與軌跡優(yōu)化。

第四個(gè)值得注意的方向是“大模型”與多模態(tài)模型的嘗試。一些公司和研究團(tuán)隊(duì)嘗試把大型多模態(tài)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用到駕駛場景，用更大的模型去整合相機(jī)幀、點(diǎn)云、地圖和歷史軌跡，甚至把語言或世界知識納入決策過程。像是Waymo與Google的多模態(tài)/大模型合作方向在內(nèi)部探索將大型多模態(tài)模型用于世界建模和軌跡生成的可能性（如EMMA），其目標(biāo)是用更通用的模型來縮短“模塊間信息斷層”、增強(qiáng)推理能力，但同時(shí)也面臨計(jì)算與工程化挑戰(zhàn)。

上面這些技術(shù)趨勢的共同點(diǎn)是更強(qiáng)調(diào)“聯(lián)合建模”和“不確定性建模”。傳統(tǒng)系統(tǒng)里每一層獨(dú)立優(yōu)化，信息在層與層之間被“壓縮”傳遞；新趨勢嘗試在更大的端到端或半端到端框架里聯(lián)合訓(xùn)練，以避免信息損失，同時(shí)用概率模型或生成模型來保留和利用不確定性（比如何時(shí)可能發(fā)生緊急剎車、其他車輛可能的多種軌跡等），從而讓規(guī)劃在面對多種可能未來時(shí)更穩(wěn)健。

安全、可驗(yàn)證性與工程化挑戰(zhàn)

技術(shù)強(qiáng)并不意味著立刻可以上路，自動駕駛決策系統(tǒng)面臨極高的工程與合規(guī)門檻。安全與可驗(yàn)證性就是其中一個(gè)，機(jī)器學(xué)習(xí)模型尤其是端到端、深度網(wǎng)絡(luò)通常是“黑盒”，在極端或稀有場景下可能會產(chǎn)生不可預(yù)測的行為。為此，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)一直強(qiáng)調(diào)在系統(tǒng)中保留可解釋和可驗(yàn)證的模塊，或者在學(xué)習(xí)模塊外加上可證明的安全層，并結(jié)合控制屏障函數(shù)（Control Barrier Functions,CBF）等技術(shù)來保證系統(tǒng)滿足安全約束。近年來有方案把實(shí)時(shí)MPC與CBF結(jié)合，證明在城市場景下能以可計(jì)算的代價(jià)提供安全保障，這類方法在可證明安全方面是有實(shí)際意義的進(jìn)展。

實(shí)時(shí)性與算力也是決策系統(tǒng)發(fā)展需要考慮的難題，擴(kuò)散模型、巨型Transformer、以及多模態(tài)大模型在訓(xùn)練與推理上都很吃資源。實(shí)際車輛的算力、功耗、散熱和延遲都有硬性限制，任何決策模型必須在嚴(yán)格的延遲預(yù)算內(nèi)給出輸出。常見的做法是混合采用，在邊緣用輕量化或確定性模塊做“快尚能”決策（fast-fallback），在云或離線環(huán)境中用大模型做策略更新、數(shù)據(jù)采樣或仿真訓(xùn)練。

還有一個(gè)難題就是對稀有/危險(xiǎn)場景的處理，在現(xiàn)實(shí)的交通場景中，會出現(xiàn)很多危險(xiǎn)但少見的邊緣場景，但正因?yàn)樗鼈兾ｋU(xiǎn)，系統(tǒng)必須在這類場景上能夠靈活處理。其中解決辦法包括大量合成數(shù)據(jù)、基于仿真的極端場景生成（scenariogeneration）、重要性采樣與對抗式訓(xùn)練，或者用基于規(guī)則的強(qiáng)制安全邊界來覆蓋學(xué)習(xí)系統(tǒng)的盲點(diǎn)。此外，如何對學(xué)習(xí)系統(tǒng)做形式化驗(yàn)證仍然是一個(gè)開放問題，這就需要結(jié)合可解釋AI、可證實(shí)安全理論與充分的實(shí)測/仿真驗(yàn)證框架。

法規(guī)與社會信任其實(shí)一直是自動駕駛發(fā)展最難平衡的問題，決策系統(tǒng)的行為牽涉到責(zé)任歸屬和倫理問題。像Mobileye的RSS試圖把“常識駕駛”數(shù)學(xué)化，雖然這方便證明和溝通，但也引出了責(zé)任與法律層面的討論。有很多技術(shù)的做法是把透明性與可追溯性做為產(chǎn)品化的基本要求，決策日志、黑匣子式的數(shù)據(jù)記錄與回放、以及在系統(tǒng)內(nèi)置的可解釋性接口，都是建立社會信任的必要手段。

最后的話

自動駕駛決策系統(tǒng)既依賴嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目刂评碚撆c優(yōu)化算法，也依賴對復(fù)雜交通場景的統(tǒng)計(jì)學(xué)習(xí)與數(shù)據(jù)驅(qū)動建模，雖然經(jīng)典的分層優(yōu)化與規(guī)則化方法在安全性與可解釋性上有天然優(yōu)勢，但Transformer、擴(kuò)散模型、BEV表示和多模態(tài)大模型等新技術(shù)更是為系統(tǒng)帶來了更強(qiáng)的建模能力和面對不確定性的柔性。

雖然技術(shù)快速進(jìn)步很吸引人，但真正能在復(fù)雜道路場景中穩(wěn)定、可解釋、可監(jiān)管地運(yùn)行，仍然需要時(shí)間、系統(tǒng)化的工程實(shí)施以及規(guī)范化的驗(yàn)證流程。研究方向上的每一個(gè)“新潮詞”都值得關(guān)注，但在把它推向道路時(shí)要多一分謹(jǐn)慎、多一分驗(yàn)證。

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       原文標(biāo)題 : 什么是自動駕駛決策系統(tǒng)？發(fā)展有何挑戰(zhàn)？