決策規(guī)劃：行為決策常用算法

作為L(zhǎng)4級(jí)自動(dòng)駕駛的優(yōu)秀代表Robotaxi，部分人可能已經(jīng)在自己的城市欣賞過他們不羈的造型，好奇心強(qiáng)烈的可能都已經(jīng)體驗(yàn)過他們的無人“推背”服務(wù)。作為一個(gè)占有天時(shí)地利優(yōu)勢(shì)的從業(yè)人員，我時(shí)常在周末選一個(gè)人和的時(shí)間，叫個(gè)免費(fèi)Robotaxi去超市買個(gè)菜。

剛開始幾次乘坐，我的注意力全都放在安全員的雙手，觀察其是否在接管；過了一段時(shí)間，我的注意力轉(zhuǎn)移到中控大屏，觀察其夢(mèng)幻般的交互方式；而現(xiàn)在，我的注意力轉(zhuǎn)移到了智能上，觀察其在道路上的行為決策是否足夠聰明。

而這一觀察，竟真總結(jié)出不少共性問題。比如十字路口左轉(zhuǎn)，各家Robotaxi總是表現(xiàn)的十分小心謹(jǐn)慎，人類司機(jī)一腳油門過去的場(chǎng)景，Robotaxi總是再等等、再看看。且不同十字路口同一廠家的Robotaxi左轉(zhuǎn)的策略基本一致，完全沒有人類司機(jī)面對(duì)不同十字路口、不同交通流、不同天氣環(huán)境時(shí)的“隨機(jī)應(yīng)變”。

面對(duì)復(fù)雜多變場(chǎng)景時(shí)自動(dòng)駕駛行為決策表現(xiàn)出來的小心謹(jǐn)慎，像極了人類進(jìn)入一個(gè)新環(huán)境時(shí)采取的猥瑣發(fā)育策略。但在自動(dòng)駕駛終局到來的那天，自動(dòng)駕駛的決策規(guī)劃能否像人類一樣，在洞悉了人情社會(huì)的生活法則之后，做到“見人說人話”、“見人下飯”呢？

在讓自動(dòng)駕駛車輛的行為決策變得越來越像老司機(jī)的努力過程中，主要誕生了基于規(guī)則和基于學(xué)習(xí)的兩大類行為決策方法。

基于規(guī)則的方法 在基于規(guī)則的方法中，通過對(duì)自動(dòng)駕駛車輛的駕駛行為進(jìn)行劃分，并基于感知環(huán)境、交通規(guī)則等信息建立駕駛行為規(guī)則庫(kù)。自動(dòng)駕駛車輛在行駛過程中，實(shí)時(shí)獲取交通環(huán)境、交通規(guī)則等信息，并與駕駛行為規(guī)則庫(kù)中的經(jīng)驗(yàn)知識(shí)進(jìn)行匹配，進(jìn)而推理決策出下一時(shí)刻的合理自動(dòng)駕駛行為。

正如全局路徑規(guī)劃的前提是地圖一樣，自動(dòng)駕駛行為分析也成為基于規(guī)則的行為決策的前提。不同應(yīng)用場(chǎng)景下的自動(dòng)駕駛行為不完全相同，以高速主干路上的L4自動(dòng)駕駛卡車為例，其自動(dòng)駕駛行為可簡(jiǎn)單分解為單車道巡航、自主變道、自主避障三個(gè)典型行為。

單車道巡航是卡車L4自動(dòng)駕駛系統(tǒng)激活后的默認(rèn)狀態(tài)，車道保持的同時(shí)進(jìn)行自適應(yīng)巡航。此駕駛行為還可以細(xì)分定速巡航、跟車巡航等子行為，而跟車巡航子行為還可以細(xì)分為加速、加速等子子行為，真是子子孫孫無窮盡也。

自主變道是在變道場(chǎng)景（避障變道場(chǎng)景、主干路變窄變道場(chǎng)景等）發(fā)生及變道空間（與前車和后車的距離、時(shí)間）滿足后進(jìn)行左/右變道。自主避障是在前方出現(xiàn)緊急危險(xiǎn)情況且不具備自主變道條件時(shí)，采取的緊急制動(dòng)行為，避免與前方障礙物或車輛發(fā)生碰撞。其均可以繼續(xù)細(xì)分，此處不再展開。

上面列舉的駕駛行為之間不是獨(dú)立的，而是相互關(guān)聯(lián)的，在一定條件滿足后可以進(jìn)行實(shí)時(shí)切換，從而支撐起L4自動(dòng)駕駛卡車在高速主干路上的自由自在?，F(xiàn)將例子中的三種駕駛行為之間的切換條件簡(jiǎn)單匯總?cè)绫?，真實(shí)情況比這嚴(yán)謹(jǐn)、復(fù)雜的多，此處僅為后文解釋基于規(guī)則的算法所用。

表2 狀態(tài)間的跳轉(zhuǎn)事件

在基于規(guī)則的方法中，有限狀態(tài)機(jī)（FiniteStateMaechine，F(xiàn)SM）成為最具有代表性的方法。2007年斯坦福大學(xué)參加DARPA城市挑戰(zhàn)賽時(shí)的無人車“Junior”，其行為決策采用的就是有限狀態(tài)機(jī)方法。

有限狀態(tài)機(jī)是一種離散的數(shù)學(xué)模型，也正好符合自動(dòng)駕駛行為決策的非連續(xù)特點(diǎn)，主要用來描述對(duì)象生命周期內(nèi)的各種狀態(tài)以及如何響應(yīng)來自外界的各種事件。有限狀態(tài)機(jī)包含四大要素：狀態(tài)、事件、動(dòng)作和轉(zhuǎn)移。事件發(fā)生后，對(duì)象產(chǎn)生相應(yīng)的動(dòng)作，從而引起狀態(tài)的轉(zhuǎn)移，轉(zhuǎn)移到新狀態(tài)或維持當(dāng)前狀態(tài)。

我們將上述駕駛行為定義為有限狀態(tài)機(jī)的狀態(tài)，每個(gè)狀態(tài)之間在滿足一定的事件（或條件）后，自動(dòng)駕駛車輛執(zhí)行一定的動(dòng)作后，就可以轉(zhuǎn)移到新的狀態(tài)。比如單車道巡航狀態(tài)下，前方車輛低速行駛，自車在判斷旁邊車道滿足變道條件要求后，切換到自主變道狀態(tài)。自主變道完成后，系統(tǒng)再次回到單車道巡航狀態(tài)。

結(jié)合表2中的切換條件，各個(gè)狀態(tài)在滿足一定事件（或條件）后的狀態(tài)跳轉(zhuǎn)示意圖如圖25所示。

圖25 狀態(tài)跳轉(zhuǎn)示意圖

基于有限狀態(tài)機(jī)理論構(gòu)建的智能車輛自動(dòng)駕駛行為決策系統(tǒng)，可將復(fù)雜的自動(dòng)駕駛過程分解為有限個(gè)自動(dòng)駕駛駕駛行為，邏輯推理清晰、應(yīng)用簡(jiǎn)單、實(shí)用性好等特點(diǎn)，使其成為當(dāng)前自動(dòng)駕駛領(lǐng)域目前最廣泛使用的行為決策方法。

但該方法沒有考慮環(huán)境的動(dòng)態(tài)性、不確定性以及車輛運(yùn)動(dòng)學(xué)以及動(dòng)力學(xué)特性對(duì)駕駛行為決策的影響，因此多適用于簡(jiǎn)單場(chǎng)景下，很難勝任具有豐富結(jié)構(gòu)化特征的城區(qū)道路環(huán)境下的行為決策任務(wù)。

基于學(xué)習(xí)的方法

行為決策水平直接決定了車輛的智能化水平，同時(shí)伴隨著自動(dòng)駕駛等級(jí)的提高，人們不僅要求其在復(fù)雜場(chǎng)景下做出正確的決策，還要求在無法預(yù)測(cè)的突發(fā)情況下做出正確的決策，更過分的是還要求在無法完全感知周圍交通環(huán)境的情況下，進(jìn)行合理的決策。

上文介紹的基于規(guī)則的行為決策方法依靠專家經(jīng)驗(yàn)搭建的駕駛行為規(guī)則庫(kù)，但是由于人類經(jīng)驗(yàn)的有限性，智能性不足成為基于規(guī)則的行為決策方法的最大制約，復(fù)雜交通工況的事故率約為人類駕駛員的百倍以上。鑒于此，科研工作者開始探索基于學(xué)習(xí)的方法，并在此基礎(chǔ)上了誕生了數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)型學(xué)習(xí)方法和強(qiáng)化學(xué)習(xí)方法。

數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)型學(xué)習(xí)是一種依靠自然駕駛數(shù)據(jù)直接擬合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的方法，首先用提前采集到的老司機(jī)開車時(shí)的自然駕駛數(shù)據(jù)訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，訓(xùn)練的目標(biāo)是讓自動(dòng)駕駛行為決策水平接近老司機(jī)。而后將訓(xùn)練好的算法模型部署到車上，此時(shí)車輛的行為決策就像老司機(jī)一樣，穿行在大街小巷。讀者可參見端到端自動(dòng)駕駛章節(jié)中介紹的NVIDIA demo案例。

強(qiáng)化學(xué)習(xí)方法通過讓智能體（行為決策主體）在交互環(huán)境中以試錯(cuò)方式運(yùn)行，并基于每一步行動(dòng)后環(huán)境給予的反饋（獎(jiǎng)勵(lì)或懲罰），來不斷調(diào)整智能體行為，從而實(shí)現(xiàn)特定目的或使得整體行動(dòng)收益最大。通過這種試錯(cuò)式學(xué)習(xí)，智能體能夠在動(dòng)態(tài)環(huán)境中自己作出一系列行為決策，既不需要人為干預(yù)，也不需要借助顯式編程來執(zhí)行任務(wù)。

強(qiáng)化學(xué)習(xí)可能不是每個(gè)人都聽過，但DeepMind開發(fā)的圍棋智能AlphaGo（阿爾法狗），2016年3月戰(zhàn)勝世界圍棋冠軍李世石，2017年5月后又戰(zhàn)勝圍棋世界排名第一柯潔的事，大家應(yīng)該都有所耳聞。更過分的是，半年后DeepMind在發(fā)布的新一代圍棋智能AlphaZero（阿爾法狗蛋），通過21天的閉關(guān)修煉，就戰(zhàn)勝了家族出現(xiàn)的各種狗子們，成功當(dāng)選狗蛋之王。

而賦予AlphaGo及AlphaZero戰(zhàn)勝人類棋手的魔法正是強(qiáng)化學(xué)習(xí)，機(jī)器學(xué)習(xí)的一種。機(jī)器學(xué)習(xí)目前有三大派別：監(jiān)督學(xué)習(xí)、無監(jiān)督學(xué)習(xí)和強(qiáng)化學(xué)習(xí)。監(jiān)督學(xué)習(xí)算法基于歸納推理，通過使用有標(biāo)記的數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練，以執(zhí)行分類或回歸；無監(jiān)督學(xué)習(xí)一般應(yīng)用于未標(biāo)記數(shù)據(jù)的密度估計(jì)或聚類；

強(qiáng)化學(xué)習(xí)自成一派，通過讓智能體在交互環(huán)境中以試錯(cuò)方式運(yùn)行，并基于每一步行動(dòng)后環(huán)境給予的反饋（獎(jiǎng)勵(lì)或懲罰），來不斷調(diào)整智能體行為，從而實(shí)現(xiàn)特定目的或使得整體行動(dòng)收益最大。通過這種試錯(cuò)式學(xué)習(xí)，智能體能夠在動(dòng)態(tài)環(huán)境中自己作出一系列決策，既不需要人為干預(yù)，也不需要借助顯式編程來執(zhí)行任務(wù)。

這像極了馬戲團(tuán)訓(xùn)練各種動(dòng)物的過程，馴獸師一個(gè)抬手動(dòng)作（環(huán)境），動(dòng)物（智能體）若完成相應(yīng)動(dòng)作，則會(huì)獲得美味的食物（正反饋），若沒有完成相應(yīng)動(dòng)作，食物可能換成了皮鞭（負(fù)反饋）。時(shí)間一久，動(dòng)物就學(xué)會(huì)基于馴獸師不同的手勢(shì)完成不同動(dòng)作，來使自己獲得最多數(shù)量的美食。

大道至簡(jiǎn)，強(qiáng)化學(xué)習(xí)亦如此。一個(gè)戰(zhàn)勝人類圍棋冠軍的“智能”也僅由五部分組成：智能體（Agent）、環(huán)境（Environment）、狀態(tài)（State）、行動(dòng)（Action）和獎(jiǎng)勵(lì)（Reward）。強(qiáng)化學(xué)習(xí)系統(tǒng)架構(gòu)如圖26所示，結(jié)合自動(dòng)駕駛代客泊車中的泊入功能，我們介紹一下各組成的定義及作用。

圖26 強(qiáng)化學(xué)習(xí)系統(tǒng)架構(gòu)

代客泊車泊入功能的追求非常清晰，就是在不發(fā)生碰撞的前提下，實(shí)現(xiàn)空閑停車位的快速泊入功能。這個(gè)過程中，承載強(qiáng)化學(xué)習(xí)算法的控制器（域控制器/中央計(jì)算單元）就是智能體，也是強(qiáng)化學(xué)習(xí)訓(xùn)練的主體。智能體之外的整個(gè)泊車場(chǎng)景都是環(huán)境，包括停車場(chǎng)中的立柱、車輛、行人、光照等。

訓(xùn)練開始后，智能體實(shí)時(shí)從車載傳感器（激光雷達(dá)、相機(jī)、IMU、超聲波雷達(dá)等）讀取環(huán)境狀態(tài)，并基于當(dāng)前的環(huán)境狀態(tài)，采取相應(yīng)的轉(zhuǎn)向、制動(dòng)和加速行動(dòng)。如果基于當(dāng)前環(huán)境狀態(tài)采用的行動(dòng)，是有利于車輛快速泊入，則智能體會(huì)得到一個(gè)獎(jiǎng)勵(lì)，反之則會(huì)得到一個(gè)懲罰。

在獎(jiǎng)勵(lì)和懲罰的不斷刺激下，智能體學(xué)會(huì)了適應(yīng)環(huán)境，學(xué)會(huì)了下次看到空閑車位時(shí)可以一把倒入，學(xué)會(huì)了面對(duì)不同車位類型時(shí)采取不同的風(fēng)騷走位。

從上述例子，我們也可以總結(jié)出訓(xùn)練出一個(gè)優(yōu)秀的“智能”，大概有如下幾個(gè)步驟：

（1）創(chuàng)建環(huán)境。定義智能體可以學(xué)習(xí)的環(huán)境，包括智能體和環(huán)境之間的接口。環(huán)境可以是仿真模型，也可以是真實(shí)的物理系統(tǒng)。仿真環(huán)境通常是不錯(cuò)的起點(diǎn)，一是安全，二是可以試驗(yàn)。

（2）定義獎(jiǎng)勵(lì)。指定智能體用于根據(jù)任務(wù)目標(biāo)衡量其性能的獎(jiǎng)勵(lì)信號(hào)，以及如何根據(jù)環(huán)境計(jì)算該信號(hào)。可能需要經(jīng)過數(shù)次迭代才能實(shí)現(xiàn)正確的獎(jiǎng)勵(lì)塑造。

（3）創(chuàng)建智能體。智能體由策略和訓(xùn)練算法組成，因此您需要：

（a）選擇一種表示策略的方式（例如，使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)或查找表）。思考如何構(gòu)造參數(shù)和邏輯，由此構(gòu)成智能體的決策部分。

（b）選擇合適的訓(xùn)練算法。大多數(shù)現(xiàn)代強(qiáng)化學(xué)習(xí)算法依賴于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，因?yàn)楹笳叻浅＿m合處理大型狀態(tài)/動(dòng)作空間和復(fù)雜問題。

（4）訓(xùn)練和驗(yàn)證智能體。設(shè)置訓(xùn)練選項(xiàng)（如停止條件）并訓(xùn)練智能體以調(diào)整策略。要驗(yàn)證經(jīng)過訓(xùn)練的策略，最簡(jiǎn)單的方法是仿真。

（5）部署策略。使用生成的 C/C++ 或 CUDA 代碼等部署經(jīng)過訓(xùn)練的策略表示。此時(shí)無需擔(dān)心智能體和訓(xùn)練算法；策略是獨(dú)立的決策系統(tǒng)。

強(qiáng)化學(xué)習(xí)方法除了具有提高行為決策智能水平的能力，還具備合并決策和控制兩個(gè)任務(wù)到一個(gè)整體、進(jìn)行統(tǒng)一求解的能力。將決策與控制進(jìn)行合并，這樣既發(fā)揮了強(qiáng)化學(xué)習(xí)的求解優(yōu)勢(shì)，又能進(jìn)一步提高自動(dòng)駕駛系統(tǒng)的智能性。實(shí)際上，人類駕駛員也是具有很強(qiáng)的整體性的，我們很難區(qū)分人類的行為中哪一部分是自主決策，哪一部分是運(yùn)動(dòng)控制。

現(xiàn)階段強(qiáng)化學(xué)習(xí)方法的應(yīng)用還處在摸索階段，應(yīng)用在自動(dòng)駕駛的潛力還沒有被完全發(fā)掘出來，這讓我想起了母校的一句校歌：“能不奮勉乎吾曹？”

審核編輯 ：李倩