探討深度學(xué)習(xí)在自動(dòng)駕駛中的應(yīng)用

2018年8月4月，北京理工大學(xué)大數(shù)據(jù)創(chuàng)新學(xué)習(xí)中心與中國(guó)科學(xué)院人工智能聯(lián)盟標(biāo)準(zhǔn)組聯(lián)合主辦了為期一天的專家講座活動(dòng)------“2018深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)：理論與應(yīng)用”學(xué)術(shù)研討會(huì)?；顒?dòng)現(xiàn)場(chǎng)參與人數(shù)超過(guò)600人，在線同步觀看人數(shù)超過(guò)12萬(wàn)人。學(xué)界與業(yè)界專家齊聚一堂，共同分享學(xué)習(xí)深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)領(lǐng)域的最新研究成果。本文小編親臨現(xiàn)場(chǎng)，為您揭秘深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)在自動(dòng)駕駛技術(shù)中的應(yīng)用詳細(xì)報(bào)告。

楊明珠 大連交通大學(xué)

今天我的演講內(nèi)容主要分為四個(gè)部分：深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)的理論、自動(dòng)駕駛技術(shù)的現(xiàn)狀以及問(wèn)題、深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)在自動(dòng)駕駛技術(shù)當(dāng)中的應(yīng)用及基于深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)的禮讓自動(dòng)駕駛研究。

首先是深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)的理論，DQN做了深度的拓展，在離散型動(dòng)作中應(yīng)用效果比較好，但連續(xù)性動(dòng)作當(dāng)中表現(xiàn)效果并不好，所以做了一些改進(jìn)和發(fā)展，如Double DQN等。

在連續(xù)型動(dòng)作之中我個(gè)人比較喜歡DDPG的理念，原因有兩點(diǎn)：①之前學(xué)習(xí)到的經(jīng)驗(yàn)和Policy數(shù)據(jù)放到Replaybuffer當(dāng)中，若之后的行為當(dāng)中發(fā)現(xiàn)和之前相似的地方就會(huì)直接從Replaybuffer當(dāng)中把之前的經(jīng)驗(yàn)和數(shù)據(jù)直接調(diào)用出來(lái)，這樣就可以避免在重復(fù)進(jìn)行一種訓(xùn)練或者采集的方式，節(jié)省時(shí)間、提高效率；②信任域的策略優(yōu)化，簡(jiǎn)稱TRPO，其實(shí)是對(duì)之前的算法做了改進(jìn)，如對(duì)狀態(tài)分布進(jìn)行處理，利用重要性采樣對(duì)動(dòng)作分布進(jìn)行的處理及在約束條件當(dāng)中，把平均KL散度代替最大KL散度。

PPO也是最近比較熱門(mén)的一種深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)算法，分為N個(gè)Actor，同時(shí)進(jìn)行一些工作，這樣平均分配給很多個(gè)actor，合作來(lái)做的話效率會(huì)更高，而且會(huì)節(jié)省更多的時(shí)間。HER算法也是個(gè)人最喜歡的之前經(jīng)過(guò)所有訓(xùn)練，經(jīng)驗(yàn)總結(jié)出來(lái)，這個(gè)工作結(jié)束以后全部消化一遍，然后做第二次實(shí)驗(yàn)或者工作的時(shí)候吸取了前面的經(jīng)驗(yàn)，然后再進(jìn)行下面的訓(xùn)練或者工作的話，就會(huì)避免一些錯(cuò)誤，如無(wú)人駕駛撞車了，上次為什么撞車了呢？第二次需要避免這個(gè)錯(cuò)誤，即不讓它撞車。

自動(dòng)駕駛公司分為互聯(lián)網(wǎng)公司（如Google、百度、蘋(píng)果和Uber）及傳統(tǒng)車企（如福特和汽車配件的博世、大眾、通用、寶馬和奔馳等）。目前自動(dòng)駕駛技術(shù)有三個(gè)問(wèn)題：①感知方面也可以叫做信息的預(yù)處理，主要包括對(duì)圖像或者視頻信息的分割、檢測(cè)或者識(shí)別，如果識(shí)別的準(zhǔn)確率更高可能會(huì)對(duì)之后的決策有比較好的優(yōu)勢(shì)。運(yùn)行當(dāng)中也需要用到分割工作，如沿著車線走需要分割車線位置等。②決策方面其實(shí)是為了模仿人類，所以需要經(jīng)過(guò)很多訓(xùn)練，利用強(qiáng)化學(xué)習(xí)來(lái)做自動(dòng)駕駛即像人考駕照的過(guò)程，學(xué)習(xí)怎樣開(kāi)車，最后達(dá)到上路的水平。③控制方面就是故障安全機(jī)制，遇到危險(xiǎn)的情況下來(lái)不及反應(yīng)，就需要安全機(jī)制保障車內(nèi)的人身安全，我們做自動(dòng)駕駛也就是為了減少交通事故的發(fā)生率，讓更多的人可以安安全全地坐上自動(dòng)駕駛汽車。

現(xiàn)在解決自動(dòng)駕駛技術(shù)問(wèn)題有兩種方法：一種是低精度定位+低精度地圖+高準(zhǔn)確識(shí)別率，另一種是高精度定位+高精度地圖+更準(zhǔn)確的識(shí)別率。

百度是有采集信息的車輛，其實(shí)也是比較辛苦的，需要采集所有全景的圖像來(lái)做上傳，最后再和百度地圖結(jié)合，這樣才能制定比較好的高精度地圖，這樣成本會(huì)非常的高。

關(guān)于深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)在自動(dòng)駕駛當(dāng)中的應(yīng)用，有幾個(gè)團(tuán)隊(duì)：WAYVE團(tuán)隊(duì)、本田研究院團(tuán)隊(duì)、堪薩斯州立大學(xué)團(tuán)隊(duì)、韓國(guó)漢陽(yáng)大學(xué)團(tuán)隊(duì)。Wayve是我個(gè)人比較欣賞的團(tuán)隊(duì)，是由英國(guó)劍橋的博士畢業(yè)生創(chuàng)立的自動(dòng)駕駛。

Wayve在今年7月發(fā)布的文章是《Learning to Drive in a Day》，僅僅用了一個(gè)前景攝像頭，就是車前方的視頻作為輸入的State，輸出的Action就是保證在同一車道內(nèi)行進(jìn)距離，行駛距離長(zhǎng)，reward就大；行駛距離短，reward就短。結(jié)果是只用了單個(gè)攝像頭讓自動(dòng)駕駛汽車在三十分鐘內(nèi)學(xué)會(huì)了保持在同一車道內(nèi)行駛二百五十米距離。這樣的方式我們是比較欣賞，但不太建議使用這種僅僅基于視覺(jué)的方式來(lái)做自動(dòng)駕駛，因?yàn)殚_(kāi)車肯定是眼觀六路耳聽(tīng)八方，側(cè)面或者后面出現(xiàn)任何問(wèn)題沒(méi)有辦法及時(shí)預(yù)警，沒(méi)有辦法及時(shí)處理，將來(lái)在上路的問(wèn)題上肯定是有很大的缺陷。

賓夕法尼亞大學(xué)，本田研究院和喬治亞理工學(xué)院合作團(tuán)隊(duì)是采用TTC模式，能夠提前知道岔路口的狀態(tài)，如何通過(guò)岔路口并且預(yù)測(cè)到達(dá)這個(gè)岔路口的時(shí)間是不是有危險(xiǎn)，有沒(méi)有足夠的時(shí)間進(jìn)行制動(dòng)，TTC一般都是二點(diǎn)七秒，那個(gè)，該團(tuán)隊(duì)存在的缺陷因?yàn)榫褪荄QN存在的問(wèn)題，即在離散動(dòng)作當(dāng)中表現(xiàn)優(yōu)異，在連續(xù)性動(dòng)作中表現(xiàn)不好，如果是在高速行駛的情況下如何應(yīng)用，解決得并不是太好。

如何在對(duì)抗性極強(qiáng)的情況下，對(duì)碰撞避免機(jī)制的行為進(jìn)行訓(xùn)練，使系統(tǒng)進(jìn)入不安全預(yù)警狀態(tài)，堪薩斯州立大學(xué)團(tuán)隊(duì)提出了一種基于深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)的新框架，用于對(duì)自動(dòng)駕駛汽車的碰撞避免機(jī)制的行為進(jìn)行基準(zhǔn)測(cè)試，但是有一個(gè)缺點(diǎn)：無(wú)感知單元的預(yù)處理過(guò)程，并且沒(méi)有在連續(xù)性動(dòng)作的決策任務(wù)。

我們將這些思想做了融合，提出了我們的一種新的自動(dòng)駕駛技術(shù)，就是禮讓自動(dòng)駕駛。我們的禮讓自動(dòng)駕駛也是從三個(gè)方面來(lái)說(shuō)：感知、決策和控制單元。什么叫做禮讓，包括”安全行車、禮讓三先”:先讓，先慢，先停，我不去撞別人，別人撞我的時(shí)候要先避讓一下，避免發(fā)生撞擊的情況。

感知部分是圍繞檢測(cè)、識(shí)別和圖像分割等方面，檢測(cè)當(dāng)中我們用的最多的是YOLO算法，如果車速特別快的話也需要快速的檢測(cè)，然后再去做一些決策方面的，識(shí)別方面?zhèn)€人比較喜歡VCG模型，模型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單而且，識(shí)別效果也是比較不錯(cuò)的。分割當(dāng)中有局部分割、語(yǔ)義分割和全景分割，現(xiàn)在應(yīng)用最多的是語(yǔ)義分割和全景分割。感知模塊我們借鑒AndreasGeiger的思想，將地圖、三維傳感器、二維傳感器中的信息給到“世界模型”（world model），我們把感知部分所有信息匯總到一個(gè)地圖當(dāng)中，做成一個(gè)Map，相當(dāng)于解除了我們對(duì)于高精度地圖的高度依賴感，同時(shí)可以理解每個(gè)時(shí)刻的不同物體，相對(duì)于地面和道路這些位置，并且可以做之后的預(yù)測(cè)，相當(dāng)于之后的路徑規(guī)劃問(wèn)題。

我們采用DDPG算法改進(jìn)自動(dòng)駕駛決策的部分，同時(shí)加入禮讓的駕駛概念，就是我們?cè)谟龅絾?wèn)題的時(shí)候要首先想到先做避讓，也就是主動(dòng)避讓的情況，連續(xù)動(dòng)態(tài)的情況下可以讓自動(dòng)駕駛汽車避免發(fā)生碰撞。

那么“禮讓”這一詞最早起源于機(jī)器人，但機(jī)器人的速度會(huì)比較慢，如果轉(zhuǎn)移到車輛方面其實(shí)還是有些難度的，而且高速當(dāng)中的禮讓?xiě)?yīng)該還是比較困難的問(wèn)題，所以這也是我們?nèi)蘸蠊ぷ鞯碾y點(diǎn)。決策方面我們可能會(huì)結(jié)合PPO與HER的思想，個(gè)人比較喜歡這兩種算法，所以會(huì)結(jié)合在里面，自動(dòng)駕駛在高速運(yùn)行的情況下也會(huì)需要一個(gè)快速?zèng)Q策的過(guò)程，所以選用PPO算法使得速度能夠提升。

駕駛一段時(shí)間以后我們會(huì)在第二次自動(dòng)駕駛的時(shí)候總結(jié)第一次的經(jīng)驗(yàn)，因?yàn)槿硕际窃诮?jīng)驗(yàn)當(dāng)中不斷積累，日后才能達(dá)到會(huì)開(kāi)車的水平，所以我們也在說(shuō)學(xué)習(xí)駕車的思想，然后通過(guò)HER促進(jìn)自動(dòng)駕駛車輛，總結(jié)之前的經(jīng)驗(yàn)，使其在之后的駕駛過(guò)程當(dāng)中少犯錯(cuò)誤，盡量避免發(fā)生不必要的危險(xiǎn)。決策的過(guò)程當(dāng)中個(gè)人還是比較喜歡Actor-Critic機(jī)制，通用reply buffer是我們對(duì)之前駕駛的經(jīng)驗(yàn)和其所得到的Policy的存儲(chǔ)過(guò)程，之后的駕駛?cè)蝿?wù)當(dāng)中遇到類似的問(wèn)題直接可以采用這種經(jīng)驗(yàn)，不需要再做其它的改變或者訓(xùn)練。

控制方面主要還是RSS模型上面做出一些改進(jìn)，因?yàn)椴豢赡苤皇顷P(guān)注到前方的避讓或者碰撞，也要關(guān)注后方，別人撞你的時(shí)候應(yīng)該怎么辦，所以采用的是雙保險(xiǎn)的機(jī)制，為了保證自動(dòng)駕駛汽車的安全。當(dāng)然如果傳感器檢測(cè)到有危險(xiǎn)，或者是距離太近的情況下，自動(dòng)駕駛汽車會(huì)直接進(jìn)入安全機(jī)制，或者是作出禮讓的行為，因?yàn)槲覀冐灤┦冀K的都是禮讓自動(dòng)駕駛。

仿真平臺(tái)TORCS屬于3D賽車模擬游戲，個(gè)人比較喜歡通過(guò)這個(gè)來(lái)玩賽車游戲，做的效果是很好的，而且是世界通用的賽車游戲，也是相對(duì)有說(shuō)服力，效果會(huì)比較好一點(diǎn)，但是場(chǎng)景單一，不適合在復(fù)雜場(chǎng)景下做訓(xùn)練。

結(jié)論與展望：DQN出現(xiàn)最早，改良版本最多，離散情況效果最佳，原理相對(duì)較簡(jiǎn)單，易于掌握與入門(mén)。DDPG是在DQN的基礎(chǔ)上進(jìn)行改良，原理易懂，在連續(xù)動(dòng)作中表現(xiàn)優(yōu)異，適用于自動(dòng)駕系統(tǒng)的決策研究。之后出現(xiàn)的A3C、PPO、HER等算法在連續(xù)動(dòng)作中都有很好的應(yīng)用與體現(xiàn)。目前，有很多人在將分層強(qiáng)化學(xué)習(xí)和逆向強(qiáng)化學(xué)習(xí)（模仿學(xué)習(xí)）應(yīng)用于自動(dòng)駕駛技術(shù)當(dāng)中，效果有待考究實(shí)驗(yàn)。

實(shí)際上，基于時(shí)間空間的博弈動(dòng)力學(xué)研究表明，機(jī)器人在目前的實(shí)驗(yàn)與發(fā)展?fàn)顟B(tài)下不具備倫理判斷能力與決策功能。所以，將機(jī)器人置于倫理困境是超出了機(jī)器人研究的能力范圍。德國(guó)聯(lián)邦交通和數(shù)字基礎(chǔ)設(shè)施部委員會(huì)說(shuō)過(guò)，自動(dòng)駕駛系統(tǒng)需要更好地適應(yīng)人之間的交流，也就是讓車輛或者機(jī)器適應(yīng)我們的生活節(jié)奏，不是我們?nèi)巳ミm應(yīng)機(jī)器應(yīng)該怎么做，或者是機(jī)器人之間的交流，總體來(lái)說(shuō)就是以人為主，包括之后發(fā)生不可避免事故的時(shí)候主動(dòng)的決定權(quán)，包括最終行為的決定權(quán)，必須要?dú)w人來(lái)掌握，尤其是必須歸駕駛員掌握。吳焦蘇老師的一句話讓我印象深刻：“自動(dòng)駕駛系統(tǒng)的安全性不能得到嚴(yán)格保證之前不應(yīng)當(dāng)被批準(zhǔn)量產(chǎn)”。其實(shí)這也是對(duì)我們生命的負(fù)責(zé)任，因?yàn)槿绻詣?dòng)駕駛車輛不能保證百分之百不發(fā)生事故，或者不能保證百分之百不會(huì)撞擊的話就不能上路，因?yàn)槲覀円獙?duì)自己的生命負(fù)責(zé)，也要對(duì)他人生命負(fù)責(zé)。