NDS背景簡介

當(dāng)今時(shí)代，說起汽車，人們自然會(huì)提到智能駕駛，而說起智能駕駛，人們則自然會(huì)提到高精地圖。高精地圖是離我們這么近又那么遠(yuǎn)的一個(gè)概念。說起高精地圖，相信即使是行外人士，也不會(huì)完全不知道它是什么意思，畢竟我們手機(jī)上的地圖APP通常都不止一個(gè)，大家用起來都十分利索。

實(shí)際上高精地圖的發(fā)展與智能網(wǎng)聯(lián)汽車密切相關(guān)。相對(duì)于以往的導(dǎo)航地圖，高精地圖是智能駕駛汽車規(guī)劃道路行駛路徑的重要基礎(chǔ)，能為車輛提供定位、決策和交通動(dòng)態(tài)信息等依據(jù)。另一方面，高精地圖也能為智能駕駛汽車上的傳感器補(bǔ)位，增強(qiáng)超視距的感知，提高系統(tǒng)安全性。當(dāng)功能豐富、使用場景多樣的高精地圖需要落實(shí)到汽車上下游產(chǎn)業(yè)鏈，并適應(yīng)日益提速迭代的汽車及其應(yīng)用開發(fā)周期，就對(duì)制定通用的地圖標(biāo)準(zhǔn)提出了需求。而今天我們要探討的NDS就是其中最常用的導(dǎo)航地圖數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)。

NDS的全稱是Navigation Data Standard，亦即導(dǎo)航數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，由NDS組織制定及維護(hù)。NDS格式是高精地圖的常用格式，也是國際OEM的普遍選擇。NDS可以用于移動(dòng)應(yīng)用程序、互聯(lián)汽車云解決方案和自動(dòng)駕駛。

圖1：NDS的口號(hào) （來源：NDS組織官網(wǎng)）

每每談?wù)摰綐?biāo)準(zhǔn)，我們都容易想起行業(yè)圈子，因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)組織內(nèi)有哪些玩家往往能體現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)分量。而從行業(yè)背景來看，NDS是為汽車行業(yè)服務(wù)的，由汽車行業(yè)負(fù)責(zé)。具體的協(xié)會(huì)成員直接看下圖，囊括中外，我們耳熟能詳?shù)腛EM、Tier1和圖商都位列其中。

圖2：NDS協(xié)會(huì)成員

NDS.Classic和NDS.Live

這些年汽車的發(fā)展異常迅速，越來越多的車輛配備了聯(lián)網(wǎng)功能，車云協(xié)作越來越主流，與車輛地圖相關(guān)的APP應(yīng)用也是層出不窮。這就對(duì)地圖數(shù)據(jù)格式提出了新的要求。為了應(yīng)對(duì)這種趨勢，NDS自身也在蛻變和革命。在2019年NDS正式對(duì)外公布了其新一代的導(dǎo)航數(shù)據(jù)格式NDS.Live，并把之前的NDS命名為NDS.Classic以示區(qū)分。

圖3：2019年NDS在公開會(huì)議上正式提出了下一代數(shù)據(jù)格式NDS.Live

NDS.Classic

目前量產(chǎn)車上用的NDS數(shù)據(jù)格式大部分都是NDS.Classic，它已經(jīng)在30多個(gè)不同品牌的數(shù)百萬輛汽車上部署，用于導(dǎo)航、ADAS和自動(dòng)駕駛等，有著良好的記錄。它本質(zhì)上是為嵌入式設(shè)備使用而設(shè)計(jì)的。之前很長一段時(shí)間，導(dǎo)航地圖數(shù)據(jù)都是存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)載體（DVD、USB、HDD、SD卡）上，而且對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)只會(huì)在車上用。相信有資歷的車友都能想起以前手動(dòng)升級(jí)一版導(dǎo)航地圖是如何大費(fèi)周章。基于此，NDS.Classic的存儲(chǔ)格式實(shí)質(zhì)上是數(shù)據(jù)庫類型的。它作為一個(gè)嵌入式數(shù)據(jù)庫，可以漸進(jìn)式更新。當(dāng)然隨著技術(shù)發(fā)展，NDS.Classic后來也支持OTA。

舉個(gè)例子，下圖就是一個(gè)應(yīng)用NDS導(dǎo)航系統(tǒng)的系統(tǒng)示意圖。虛線左邊是NDS規(guī)范的主體內(nèi)容，通過編譯器將原始的地圖輸入生成滿足NDS規(guī)范的數(shù)據(jù)庫（一般以SQL文件格式存儲(chǔ)），然后數(shù)據(jù)庫提供操作接口給不同的業(yè)務(wù)應(yīng)用，例如地圖顯示、地位和路徑規(guī)劃等應(yīng)用。

圖4：NDS格式數(shù)據(jù)庫及其接口示意圖

NDS.Classic是一個(gè)基于瓦片（Tile-based）的組織結(jié)構(gòu)，支持瓦片級(jí)的更新。瓦片可以理解為地球面上的一個(gè)四邊形。我們在手機(jī)上看地圖的時(shí)候，數(shù)據(jù)經(jīng)常是一個(gè)方塊一個(gè)方塊地加載出來，背后也是因?yàn)閿?shù)據(jù)是基于瓦片來存儲(chǔ)和傳輸?shù)?。四維圖新在《智能網(wǎng)聯(lián)汽車高精地圖白皮書》中提到，其向某OEM 最終交付 2.5.4 版本的 NDS 規(guī)格的中國全境高速和部分城市道路的高精地圖數(shù)據(jù)，平均一個(gè)瓦片的數(shù)據(jù)大小大約在 60-80kb。

NDS.Live

相比之下，NDS.Live就不再是一個(gè)數(shù)據(jù)庫，而是一個(gè)分布式地圖數(shù)據(jù)系統(tǒng)。這其中包括數(shù)據(jù)服務(wù)以及應(yīng)用服務(wù)，比如路徑生成、電動(dòng)車?yán)锍逃?jì)算和POI搜索等功能。這些服務(wù)的應(yīng)用接口在NDS.Live中定義，但規(guī)范中并不包括底層通訊傳輸。NDS.Live的用戶能夠自由選擇NDS數(shù)據(jù)或應(yīng)用服務(wù)的部署位置，這可以是在云端、車載娛樂控制器或者手機(jī)APP等其他任何地方。NDS.Live可以說是NDS的新一代規(guī)范，更具生命力。

NDS.Live支持多種數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，包括常用的從云端到車端通訊的HTTP/REST和車載通訊SOME/IP。但無論選擇哪種傳輸協(xié)議，接口層的互操作性都由NDS.Live來維護(hù)，因?yàn)閿?shù)據(jù)在被傳遞到傳輸層之前是以互操作、跨平臺(tái)、跨語言的方式進(jìn)行序列化的。如下圖示例，底層采用HTTP傳輸，然后在標(biāo)準(zhǔn)的HTTP協(xié)議之上設(shè)計(jì)應(yīng)用接口作為適配參考層，同時(shí)根據(jù)NDS.Live規(guī)范可以設(shè)計(jì)統(tǒng)一的服務(wù)層，供不同的上層應(yīng)用模塊調(diào)用。如果例子中的HTTP協(xié)議換成SOME/IP協(xié)議，則只需設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的參考層，可以最大限度地復(fù)用上層應(yīng)用和底層標(biāo)準(zhǔn)傳輸協(xié)議。而下圖示例中的參考層雖然不屬于NDS.Live的規(guī)范內(nèi)容，但是NDS組織也提供了針對(duì)HTTP和SOME/IP的參考層實(shí)現(xiàn)樣例。

圖5：NDS.Live與不同傳輸層接口層次示意圖

NDS.Live架構(gòu)介紹

在傳輸協(xié)議和API適配之上，則是NDS.Live規(guī)范的主體部分。如圖5所示，我們可以分兩個(gè)層次來進(jìn)一步理解：模塊（Module）和服務(wù)層（Service Layer）。

模塊（Module）

NDS.Live是一個(gè)基于模塊的分布式地圖系統(tǒng)，因此規(guī)范和文檔也是按模塊安排的。模塊代表相關(guān)數(shù)據(jù)的集合，例如數(shù)據(jù)類型、定義和接口。下圖是NDS.Live所定義的模塊概覽。

圖6：NDS.Live模塊概覽

模塊分為5種類型：

-Common：通用模塊，用于可以全局復(fù)用的通用數(shù)據(jù)，例如基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)類型等。

-Feature： 特征模塊，用于定義地圖特征和幾何數(shù)據(jù)。

-Attribute： 屬性模塊，用于定義屬性，可以簡單理解為是對(duì)地圖特征的更細(xì)致描述。例如ADAS、定位等都是在屬性模塊中定義。

-Reference： 參考模塊，實(shí)際上是特征模塊和屬性模塊之間的接口。通過參考模塊引用數(shù)據(jù)，可以降低模塊之間的耦合度。

-Service：服務(wù)模塊，提供數(shù)據(jù)訪問的接口。服務(wù)的終端訪問定義都在該模塊定義，例如常見的“請(qǐng)求-應(yīng)答”和“發(fā)布-訂閱”服務(wù)接口都在這類模塊中定義。

這些不同的模塊之間不同的排列組合，可以滿足不同的用例。例如在ADAS應(yīng)用場景下，基于車道的特征模塊、ADAS屬性模塊、數(shù)據(jù)類型定義的通用模塊和定義具體服務(wù)接口的服務(wù)模塊之間就可以滿足。而在不同的應(yīng)用場景和不同的模塊下，NDS.Live還抽象出了不同的數(shù)據(jù)層（Data Layer），用來定義具體的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。這背后同樣是“高內(nèi)聚、低耦合”的思想。如下圖所示，不同用例可以取5種數(shù)據(jù)層中的若干種。例如普通ISA（Intelligent Speed Assist）場景下，業(yè)務(wù)只需要道路基礎(chǔ)信息和限速信息，可以只獲取底下兩層。更復(fù)雜的功能業(yè)務(wù)，則可以用更豐富的層次。當(dāng)然這只是在功能邏輯層面的區(qū)分，實(shí)際上在數(shù)據(jù)二進(jìn)制存儲(chǔ)和通訊等實(shí)現(xiàn)過程中，不同層次的數(shù)據(jù)層會(huì)打包進(jìn)一個(gè)數(shù)據(jù)容器（Data Container）中。

圖7：不同用例下數(shù)據(jù)層的復(fù)用示意圖

另外，在數(shù)據(jù)壓縮和安全方面，NDS.Live也提供了針對(duì)數(shù)據(jù)層的解決方案，有利于滿足汽車行業(yè)的功能安全和信息安全等要求。NDS.Live中明確了支持的壓縮算法。而關(guān)于數(shù)據(jù)簽名，NDS.Live也提供了一個(gè)預(yù)定義的哈希和簽名機(jī)制列表。簽名算法可以用專有的簽名算法接口進(jìn)行擴(kuò)展。用于簽名和加密的密鑰管理不在NDS.Live的范圍內(nèi)，但它提供了URL或密鑰ID接口。結(jié)合AUTOSAR中的密鑰管理模塊，可以快速高效地部署數(shù)據(jù)安全系統(tǒng)。

服務(wù)層（Service Layer）

服務(wù)層可以理解為NDS.Live中定義的通信中間件。NDS.Live規(guī)范是針對(duì)多個(gè)網(wǎng)絡(luò)參與者的分布式系統(tǒng)開發(fā)的。每個(gè)參與者由一個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)代表，由該節(jié)點(diǎn)來提供或請(qǐng)求與地圖和導(dǎo)航有關(guān)的信息。

NDS.Live系統(tǒng)內(nèi)的每個(gè)通信事件都涉及兩種類型的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)：服務(wù)端節(jié)點(diǎn)和客戶端節(jié)點(diǎn)。服務(wù)層所定義的服務(wù)接口，就是用于服務(wù)端節(jié)點(diǎn)和客戶端節(jié)點(diǎn)之間的信息傳遞。服務(wù)端和客戶端之間可以通過“請(qǐng)求-應(yīng)答”和“發(fā)布-訂閱”模式進(jìn)行通信。而NDS.Live中定義的服務(wù)接口分兩種類型：通用服務(wù)接口和基于模塊的服務(wù)接口。

兩種服務(wù)接口類型的主要差別就是是否對(duì)不同的模塊通用。通用服務(wù)接口如下圖左側(cè)所示，如果客戶端發(fā)起一個(gè)請(qǐng)求，來獲取不同模塊所提供的不同數(shù)據(jù)內(nèi)容。這時(shí)候服務(wù)接口可以把不同數(shù)據(jù)源拼接在一起，統(tǒng)一通過同一個(gè)服務(wù)響應(yīng)來傳遞數(shù)據(jù)。這種匯納多個(gè)數(shù)據(jù)源后由統(tǒng)一的服務(wù)響應(yīng)傳遞數(shù)據(jù)的方式，在NDS.Live中也稱為智慧層（Smart Layer）。

智慧層的設(shè)計(jì)也是基于終端使用場景出發(fā)的，例如客戶端傳來基于瓦片ID的請(qǐng)求，服務(wù)端可以把對(duì)應(yīng)瓦片內(nèi)不同模塊不同層次的數(shù)據(jù)都放在同一個(gè)數(shù)據(jù)容器內(nèi)后響應(yīng)。除了支持NDS.Classic的基于瓦片的方法，NDS.Live還增加了路徑和對(duì)象作為容器的額外選項(xiàng)。例如ADAS客戶端發(fā)來基于路徑幾何特性的請(qǐng)求，服務(wù)端可以把該路徑對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)統(tǒng)一響應(yīng)。這樣可以為基于路徑的自動(dòng)駕駛和ADAS用例減少數(shù)據(jù)帶寬。又例如針對(duì)泊車場景，需要單獨(dú)下載一個(gè)停車場的高清地圖時(shí)，可以通過對(duì)象作為容器和服務(wù)接口來傳輸。

圖8：NDS.Live兩種服務(wù)接口類型對(duì)比

NDS應(yīng)用例子

NDS作為導(dǎo)航數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，致力于標(biāo)準(zhǔn)化流程和接口，以支撐更多產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新。那么它在汽車行業(yè)中是怎么應(yīng)用的？接下來我們看一個(gè)NDS官網(wǎng)上展示的實(shí)際例子。這個(gè)例子是BMW和dSPACE兩大巨頭聯(lián)手打造的HIL（Hardware In the Loop，硬件在環(huán)測試）方案，架構(gòu)如下所示。

圖9：NDS 2022大會(huì)上展示的一種應(yīng)用NDS的HIL架構(gòu)

從連接的其他模擬模型可以猜測，被測ECU是ADAS的域控制器。對(duì)于毫米波雷達(dá)、激光雷達(dá)等傳感器，通過仿真環(huán)境配合各個(gè)傳感器的內(nèi)核算法模型，可以仿真感知數(shù)據(jù)，然后提供給被測ECU。而跟NDS息息相關(guān)的主要是圖9中上部分的鏈路，也就是NDS和OpenDrive的雙向格式轉(zhuǎn)換的打通。

OpenDrive是dSPACE仿真環(huán)境對(duì)于地圖數(shù)據(jù)的統(tǒng)一接口，可以被輸入到仿真環(huán)境中，以開發(fā)和驗(yàn)證ADAS功能。但原生OpenDrive生成的場景往往缺乏實(shí)際駕駛區(qū)域旁邊的環(huán)境細(xì)節(jié)。而這些細(xì)節(jié)又往往影響到所需驗(yàn)證的功能。因此在打通NDS和OpenDrive雙向轉(zhuǎn)換之前，對(duì)于某些測試用例，可能需要手動(dòng)修改三維場景。但有了上圖所示的雙向轉(zhuǎn)換之后，當(dāng)需要把采集的真實(shí)數(shù)據(jù)回灌到被測ECU時(shí)，基于NDS的豐富的導(dǎo)航地圖數(shù)據(jù)可以經(jīng)過車機(jī)后自動(dòng)轉(zhuǎn)換為OpenDrive格式，提供給仿真環(huán)境，然后生成相對(duì)更真實(shí)的3D環(huán)境進(jìn)行測試。而當(dāng)采用dSPACE搭建虛擬環(huán)境時(shí)，生成的OpenDrive地圖數(shù)據(jù)也可以轉(zhuǎn)換為NDS，供車機(jī)渲染酷炫的動(dòng)畫。

來自兩大巨頭將接口標(biāo)準(zhǔn)的打通，相信也會(huì)加速NDS的應(yīng)用推廣。方案中呈現(xiàn)的NDS和OpenDrive雙向轉(zhuǎn)換，相信也會(huì)商業(yè)化成為產(chǎn)品。這樣一來，在推廣應(yīng)用NDS作為高精地圖數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的同時(shí)，原有的硬件在環(huán)測試設(shè)備和方案也可以沿用，是一個(gè)共贏的局面。

寫在最后

隨著智能駕駛技術(shù)的日益成熟，高精地圖已經(jīng)成為了各大廠家的新戰(zhàn)場。高盛對(duì)全球高精地圖市場的預(yù)判是，到2025年市場規(guī)模會(huì)擴(kuò)大到94億美元。行業(yè)普遍認(rèn)為，未來15年高精地圖行業(yè)將進(jìn)入黃金發(fā)展期。而在這個(gè)過程中，最好的選擇肯定是制定標(biāo)準(zhǔn)。如果不能，那選擇一個(gè)有前景的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行跟隨和應(yīng)用也是提升自身核心競爭力的有效手段。那么你覺得NDS是這個(gè)有前景的標(biāo)準(zhǔn)嗎？

審核編輯 ：李倩