一、前言

傳統(tǒng)導(dǎo)航地圖在日常生活中主要被用于導(dǎo)航和查詢地理信息，出行的人群是其主要服務(wù)對(duì)象?；谌祟愖陨淼囊曈X(jué)識(shí)別能力和邏輯思維能力，很多道路信息都被精簡(jiǎn)。隨著互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的高速發(fā)展，更多基于位置的新型服務(wù)和行業(yè)被提出，例如「互聯(lián)網(wǎng)+」智能交通、無(wú)人系統(tǒng)等。

國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)提出的促進(jìn)智能交通發(fā)展的「互聯(lián)網(wǎng)+」便捷交通實(shí)施方案已經(jīng)正式發(fā)布。這些服務(wù)都是依托互聯(lián)網(wǎng)來(lái)開展的，因此地圖的服務(wù)對(duì)象不再僅僅是人類，而是慢慢向機(jī)器過(guò)渡，這對(duì)地圖的精度、內(nèi)容結(jié)構(gòu)和計(jì)算模式等都提出了新的要求。

（一）地圖精度

普通導(dǎo)航地圖的精度在5m左右，只描繪了道路的位置和形態(tài)，沒(méi)有反映道路的細(xì)節(jié)信息，無(wú)法準(zhǔn)確知道車輛所在位置。

圖1高精度道路導(dǎo)航地圖和普通導(dǎo)航地圖對(duì)比示意圖

而高精度道路導(dǎo)航地圖的絕對(duì)精度要求優(yōu)于1m，相對(duì)精度達(dá)到10-20cm，包含了車道、車道邊界、車道中心線、車道限制信息等非常豐富的信息，如圖1所示。

（二）地圖內(nèi)容結(jié)構(gòu)

高精度道路導(dǎo)航地圖更加真實(shí)地反映道路的實(shí)際樣式，因此包含更多的圖層數(shù)量和道路數(shù)據(jù)，圖層描繪也更加細(xì)致。高精度道路導(dǎo)航地圖不僅具有更高精度的坐標(biāo)，還擁有更加準(zhǔn)確的道路形狀。同時(shí)，每個(gè)車道的坡度、曲率、航向、高程等數(shù)據(jù)也被添加進(jìn)來(lái)。

另外，車道之間的車道線情況（虛線、實(shí)線、單線和雙線）、車道線顏色（白色、黃色）、道路隔離帶、隔離帶材質(zhì)、道路箭頭、文字內(nèi)容和所在位置在高精度道路導(dǎo)航地圖中都需要詳盡描述。

（三）計(jì)算模式

高精度道路導(dǎo)航地圖的數(shù)據(jù)量是普通地圖的10^5倍甚至更多，目前以云計(jì)算為核心的集中式大數(shù)據(jù)處理模式已經(jīng)滿足不了需求。

隨著物聯(lián)網(wǎng)和5G通信技術(shù)的快速發(fā)展，云端協(xié)同的計(jì)算方法——邊緣計(jì)算被提出，同時(shí)眾包的任務(wù)發(fā)布模式也被應(yīng)用于多個(gè)行業(yè)。因此高精度道路導(dǎo)航地圖的大數(shù)據(jù)處理模式可以采用「眾包+邊緣計(jì)算」的模式。

二、相關(guān)現(xiàn)狀

隨著智能交通和自動(dòng)駕駛領(lǐng)域的飛速發(fā)展，現(xiàn)有的普通導(dǎo)航地圖在內(nèi)容、精度和完整性方面都無(wú)法滿足高層次的應(yīng)用需求[2]。針對(duì)道路的高精度電子地圖被逐步提出并得到了廣泛的認(rèn)同[3,4]。

目前在輔助駕駛系統(tǒng)和自動(dòng)駕駛領(lǐng)域使用高精度道路導(dǎo)航地圖數(shù)據(jù)的研究較多。例如根據(jù)高精度道路導(dǎo)航地圖進(jìn)行信息行為和車輛定位的研究[5,6]，在輔助駕駛和自動(dòng)駕駛系統(tǒng)中使用高精度道路導(dǎo)航地圖信息并在其上進(jìn)行自動(dòng)駕駛車道軌跡引導(dǎo)方法的研究[7,8]。

而關(guān)于建立高精度道路導(dǎo)航地圖的方法研究也有很多，例如通過(guò)配備GPS-RTK的采集車沿特定線路采集數(shù)據(jù)[9]；使用激光雷達(dá)與廣角攝像頭結(jié)合的方法提取道路信息，加上配備高精度全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（GNSS）則能夠達(dá)到10cm精度，但這種采集方案成本較高[10]；也有研究者提出使用低成本傳感器創(chuàng)建車道級(jí)地圖的方法，通過(guò)全球定位系統(tǒng)+慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（GPS/INS）緊耦合進(jìn)行定位，從正射影像圖中獲取相關(guān)地圖信息[11]。

目前國(guó)內(nèi)外從事高精度電子地圖的測(cè)繪和生產(chǎn)的單位也逐漸增多。在Google以及Daimler的無(wú)人駕駛汽車的研制過(guò)程中，高精度電子地圖都是重要的組成部分[12]。2015年，奧迪、寶馬、Daimler 聯(lián)合起來(lái)斥資31億美元購(gòu)買諾基亞Here地圖，為研發(fā)高精度道路導(dǎo)航地圖做準(zhǔn)備。

2015年，高精度道路導(dǎo)航地圖已經(jīng)應(yīng)用于特定場(chǎng)景，2011年寶馬的3系Track Trainer，2014年奧迪的RS7都利用高精度道路導(dǎo)航地圖技術(shù)在Laguna Seca和Hockenheim成功跑完了賽道。

從2016年開始，很多互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)通過(guò)收購(gòu)的方式獲取地圖數(shù)據(jù)資源，然后結(jié)合自身算法、云計(jì)算能力生產(chǎn)高精度道路導(dǎo)航地圖，如Google、Uber、百度、阿里等。同時(shí)，車企也開始依賴第三方地圖服務(wù)，2017年初，Mobileye與大眾、寶馬和日產(chǎn)簽署協(xié)議，前者將為三家汽車巨頭提供地圖產(chǎn)品，而汽車廠商將負(fù)責(zé)為Mobileye提供更多的地圖數(shù)據(jù)。

三、需求分析與建模

本文從「互聯(lián)網(wǎng)+」智能交通應(yīng)用及未來(lái)20年無(wú)人系統(tǒng)行業(yè)發(fā)展的典型應(yīng)用場(chǎng)景出發(fā)，將高精度道路導(dǎo)航地圖劃分為6層建立需求模型，如圖2所示。

圖2高精度道路導(dǎo)航地圖應(yīng)用分析

（一）「互聯(lián)網(wǎng)+」智能導(dǎo)航

隨著城市環(huán)境的不斷建設(shè)，為了提高道路使用效率、緩解擁堵，很多新的交通管理措施不斷被實(shí)施。例如多乘員車道（HOV車道）、潮汐車道（見(jiàn)圖3）等。

圖3 HOV車道和潮汐車道

HOV車道僅供乘坐至少某一規(guī)定乘客數(shù)的車輛通行。潮汐車道是指可變車道，即某一條車道在不同時(shí)段內(nèi)行駛方向會(huì)發(fā)生變化。這些新的交通管理方案的實(shí)施主要是通過(guò)車道來(lái)實(shí)現(xiàn)的，而高精度道路導(dǎo)航地圖可以精準(zhǔn)反映這些信息，為人們提供智能導(dǎo)航服務(wù)。

（二）「互聯(lián)網(wǎng)+」智能交管

道路交通執(zhí)法管理具有很多難題，尤其是在執(zhí)法取證和事故應(yīng)急處理方面。而高精度道路導(dǎo)航地圖可以提供新的技術(shù)手段來(lái)解決交通執(zhí)法管理中的困難。

1.交警執(zhí)法領(lǐng)域

車道級(jí)違法行為執(zhí)法取證是道路執(zhí)法領(lǐng)域的一個(gè)難點(diǎn)問(wèn)題。車道級(jí)違法行為指移動(dòng)目標(biāo)相對(duì)于地面車道或其他移動(dòng)目標(biāo)而言，相對(duì)位置移動(dòng)在一個(gè)車道級(jí)別內(nèi)的、違反交通法規(guī)的行為 [13]，如不按規(guī)定車道行駛等。

由于數(shù)據(jù)采集困難和現(xiàn)場(chǎng)還原困難導(dǎo)致這些行為目前難以執(zhí)法取證。而高精度道路導(dǎo)航地圖可以精準(zhǔn)反映車輛行駛在哪一條車道上，因此可以對(duì)車輛是否有車道級(jí)違法行為做出準(zhǔn)確判斷，滿足車道級(jí)違法行為執(zhí)法取證的需求。

2.保險(xiǎn)理賠領(lǐng)域

車險(xiǎn)理賠行業(yè)長(zhǎng)期受到騙保行為的困擾，耗費(fèi)了大量的人力物力。這是因?yàn)楸ｋU(xiǎn)人員往往只能查勘事后證據(jù)，無(wú)法判斷事故的全過(guò)程。高精度道路導(dǎo)航地圖包含豐富細(xì)致的車道信息，因此可以精準(zhǔn)反映車輛的行駛狀態(tài)，并且在地圖上將事故的全過(guò)程進(jìn)行還原，從而可以幫助保險(xiǎn)人員對(duì)事故進(jìn)行準(zhǔn)確判斷。

（三）「互聯(lián)網(wǎng)+」輔助駕駛/無(wú)人駕駛

無(wú)人駕駛領(lǐng)域要求地圖在幾何上具有更細(xì)的粒度，細(xì)致地刻畫道路上每個(gè)車道的詳細(xì)信息。而在拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)上，也要求準(zhǔn)確表達(dá)車道之間的連接關(guān)系。高精度道路導(dǎo)航地圖包含多個(gè)層次的幾何拓?fù)鋽?shù)據(jù)，可以滿足面向輔助駕駛和自動(dòng)駕駛的不同層次的運(yùn)用需求。

除此以外，高精度道路導(dǎo)航地圖還包含動(dòng)態(tài)要素。動(dòng)態(tài)要素包括兩種，一種是半實(shí)時(shí)的動(dòng)態(tài)要素，它在自動(dòng)駕駛領(lǐng)域主要用于進(jìn)行全局的路徑規(guī)劃；另一種是實(shí)時(shí)的動(dòng)態(tài)要素，主要指動(dòng)態(tài)障礙物，它主要應(yīng)用于自動(dòng)駕駛系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)局部路徑規(guī)劃。

四、高精度道路導(dǎo)航地圖的結(jié)構(gòu)與計(jì)算

（一）高精度道路導(dǎo)航地圖結(jié)構(gòu)

道路地圖是對(duì)實(shí)際道路進(jìn)行反映，通過(guò)特定圖層來(lái)描繪特定類別，然后將圖層疊加進(jìn)行路面表達(dá)。終端上顯示的導(dǎo)航地圖往往由10多層甚至20多層不同分辨率的圖片組成，當(dāng)用戶進(jìn)行縮放時(shí)，程序根據(jù)縮放級(jí)數(shù)，選擇不同分辨率的瓦片圖（用方格來(lái)模擬實(shí)體），拼接成一幅完整的地圖。高精度道路導(dǎo)航地圖也是如此，只是它在普通電子地圖的基礎(chǔ)上包含了更多的圖層數(shù)量，且每一圖層的描繪更加精細(xì)。

圖4地圖結(jié)構(gòu)內(nèi)容劃分示意圖

高精度道路導(dǎo)航地圖由四個(gè)部分的數(shù)據(jù)構(gòu)成，分別是道路網(wǎng)數(shù)據(jù)、車道網(wǎng)數(shù)據(jù)、安全輔助數(shù)據(jù)和道路交通設(shè)施數(shù)據(jù)。這四類數(shù)據(jù)構(gòu)成的地圖結(jié)構(gòu)內(nèi)容根據(jù)地圖精度不同顯示的內(nèi)容也就不同，其基本結(jié)構(gòu)劃分和顯示內(nèi)容示例，如圖4所示。

道路網(wǎng)主要是由道路基準(zhǔn)線網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，用于描述道路的幾何形態(tài)、表達(dá)與道路設(shè)施間的關(guān)系。高精度道路導(dǎo)航地圖道路網(wǎng)示意圖，如圖 5 所示，它包括道路基準(zhǔn)線、道路基準(zhǔn)線連接點(diǎn)和路口等圖層。

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圖6高精度道路導(dǎo)航地圖車道網(wǎng)示意圖

車道網(wǎng)記錄路網(wǎng)中每個(gè)獨(dú)立車道的相關(guān)屬性，用于車道級(jí)的道路顯示、定位、路徑規(guī)劃和駕駛策略輔助。它包括車道級(jí)道路、車道級(jí)道路連接點(diǎn)、車道級(jí)道路形狀點(diǎn)等圖層，如圖6所示。

安全輔助數(shù)據(jù)和道路交通設(shè)施數(shù)據(jù)是對(duì)車道安全數(shù)據(jù)和車道上的其他交通設(shè)施進(jìn)行描述，用于輔助車道級(jí)定位和顯示，例如曲率、航向、縱橫坡度等。

道路交通設(shè)施數(shù)據(jù)則包括交通標(biāo)識(shí)、路側(cè)設(shè)施和固定地物等信息。

（二）計(jì)算模式

高精度道路導(dǎo)航地圖描繪的道路信息更加豐富，包含的細(xì)節(jié)更多，因此它的數(shù)據(jù)量也更加龐大。傳統(tǒng)導(dǎo)航電子地圖每千米的數(shù)據(jù)量約是1KB，而高精度道路導(dǎo)航地圖每千米的數(shù)據(jù)量大約是100MB，是傳統(tǒng)導(dǎo)航地圖的10^5倍。而且高精度道路導(dǎo)航地圖中的數(shù)據(jù)類型復(fù)雜多樣，數(shù)據(jù)量急劇增加，并且數(shù)據(jù)處理的實(shí)時(shí)性要求較高。

所以目前以云計(jì)算模型為核心的集中式大數(shù)據(jù)處理方式已經(jīng)不能滿足高精度道路導(dǎo)航地圖的數(shù)據(jù)計(jì)算要求，需要建立新的計(jì)算模型。本文提出「眾包+邊緣計(jì)算」模型作為高精度道路導(dǎo)航地圖計(jì)算模式。

高精度道路導(dǎo)航地圖的數(shù)據(jù)采集任務(wù)很艱巨，需要采集車跑過(guò)每一條道路，然后上傳數(shù)據(jù)繪圖。首先，這需要花費(fèi)大量的時(shí)間；其次，道路上的一些信息會(huì)發(fā)生變化，高精度道路導(dǎo)航地圖需要保持周期性數(shù)據(jù)更新，再次采集很多信息又是重復(fù)的，且耗費(fèi)更多的資源。

筆者認(rèn)為可以采用眾包的方式解決這些問(wèn)題，高精度道路導(dǎo)航地圖的用圖者同時(shí)也可以是繪圖者。通過(guò)眾包的方式，將數(shù)據(jù)采集設(shè)備裝在使用高精度道路導(dǎo)航地圖的車輛上，其在行駛時(shí)邊用圖邊采集數(shù)據(jù)，并且將獲取到的數(shù)據(jù)上傳。這種方式可以很好地滿足城市街道需要一周更新一次來(lái)反映其構(gòu)造和新的交通模式的需求。美國(guó)的Mapper公司已經(jīng)采用這種方式來(lái)獲取地圖數(shù)據(jù)。

隨著物聯(lián)網(wǎng)和5G通信技術(shù)的快速發(fā)展，有別于傳統(tǒng)云計(jì)算的全新計(jì)算模式——邊緣計(jì)算被研究者們提出。邊緣計(jì)算是指在網(wǎng)絡(luò)邊緣執(zhí)行計(jì)算的一種計(jì)算模型，邊緣計(jì)算中邊緣的下行數(shù)據(jù)表示云服務(wù)，上行數(shù)據(jù)表示高精度道路導(dǎo)航地圖服務(wù)，而邊緣計(jì)算的邊緣是指從數(shù)據(jù)源到云計(jì)算中心路徑之間的任意計(jì)算和網(wǎng)絡(luò)資源[14,15]。

該計(jì)算方法是一種在靠近物或數(shù)據(jù)源頭的網(wǎng)絡(luò)邊緣側(cè)，融合網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算、存儲(chǔ)、應(yīng)用核心能力的開放平臺(tái)，就近提供邊緣智能服務(wù)，滿足行業(yè)數(shù)字化在敏捷聯(lián)接、實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)、數(shù)據(jù)優(yōu)化、應(yīng)用智能、安全與隱私保護(hù)等方面的關(guān)鍵需求。

圖7高精度道路導(dǎo)航地圖邊緣計(jì)算模型參考框架

針對(duì)高精度道路導(dǎo)航地圖的情況，在邊緣式計(jì)算中，由于數(shù)據(jù)量的增加以及對(duì)實(shí)時(shí)性的需求，需將原有云中心的計(jì)算任務(wù)部分遷移到網(wǎng)絡(luò)邊緣設(shè)備上，以提高數(shù)據(jù)傳輸性能，保證處理的實(shí)時(shí)性，同時(shí)降低云計(jì)算中心的計(jì)算負(fù)載。本文研制了高精度道路導(dǎo)航地圖邊緣計(jì)算模型參考框架，如圖7所示。

五、思考

（一）標(biāo)準(zhǔn)體系框架

目前國(guó)內(nèi)外從事高精度道路導(dǎo)航地圖的測(cè)繪和生產(chǎn)的單位逐漸增多，但各作業(yè)單位的技術(shù)水平、采用的儀器設(shè)備、作業(yè)方法、數(shù)據(jù)處理和成果形式各不相同。不同企事業(yè)單位采用的標(biāo)準(zhǔn)也不一致。

圖8高精度電子地圖標(biāo)準(zhǔn)體系框架

這對(duì)高精度道路導(dǎo)航地圖的管理和共享帶來(lái)了問(wèn)題，因此亟需加強(qiáng)高精度道路導(dǎo)航地圖標(biāo)準(zhǔn)體系框架的制定。高精度電子地圖標(biāo)準(zhǔn)體系框架是形成高精度電子地圖標(biāo)準(zhǔn)體系的基本單元。它包括地圖基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)、云整合標(biāo)準(zhǔn)、應(yīng)用服務(wù)標(biāo)準(zhǔn)和檢測(cè)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)四個(gè)部分，如圖8所示。

（二）隱私與安全

出于對(duì)國(guó)家安全的考慮，許多國(guó)家對(duì)公共地圖的信息采集與繪制也有諸多規(guī)定，包括精確度、測(cè)繪區(qū)域、機(jī)構(gòu)和人員等諸多限制條件。因此需要進(jìn)一步規(guī)范公共地圖信息采集與高精度道路導(dǎo)航地圖數(shù)據(jù)保護(hù)政策，在保障信息安全和鼓勵(lì)高精度道路導(dǎo)航地圖技術(shù)發(fā)展之間，找到最佳平衡點(diǎn)和解決方案。

（三）坐標(biāo)體系的開放問(wèn)題

傳統(tǒng)導(dǎo)航地圖都有約定俗成的電子地圖版本審查和加偏移措施等加密手段，但是現(xiàn)在這些地圖加密手段與高精度道路導(dǎo)航地圖之間存在矛盾。因此，在未來(lái)的發(fā)展中要對(duì)高精度道路導(dǎo)航地圖懷有創(chuàng)新性思維，實(shí)際應(yīng)用的導(dǎo)航定位服務(wù)都是局部的，或許可以嘗試用相對(duì)坐標(biāo)系解決定位精度安全問(wèn)題。

（四）及時(shí)準(zhǔn)確地進(jìn)行數(shù)據(jù)更新

傳統(tǒng)導(dǎo)航地圖因其商業(yè)地圖公司及時(shí)、準(zhǔn)確地進(jìn)行數(shù)據(jù)更新，從而保障導(dǎo)航服務(wù)的準(zhǔn)確性。而高精度道路導(dǎo)航地圖的更新過(guò)程除了道路/車道的幾何信息外，還包括交通要素在內(nèi)的大量數(shù)據(jù)更新。而且，高精度道路導(dǎo)航地圖本身就包含龐大的數(shù)據(jù)量，如果每次都通過(guò)原始采集手段進(jìn)行數(shù)據(jù)更新，將會(huì)導(dǎo)致過(guò)多冗余數(shù)據(jù)和過(guò)高的成本。因此在未來(lái)的高精度道路導(dǎo)航地圖發(fā)展中，采用眾包手段獲得用戶手上的大量及時(shí)數(shù)據(jù)，是一種更加便捷、低廉、可靠的數(shù)據(jù)更新手段。

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