[首發(fā)于智駕最前沿微信公眾號(hào)]在自動(dòng)駕駛領(lǐng)域，“端到端仿真”指的是將感知到控制的整個(gè)決策鏈條視為一個(gè)整體，從而進(jìn)行訓(xùn)練和驗(yàn)證的思路。仿真環(huán)境將生成原始傳感器數(shù)據(jù)（例如攝像頭圖像、雷達(dá)點(diǎn)云、慣性測(cè)量數(shù)據(jù)），這些數(shù)據(jù)會(huì)被直接輸入到一個(gè)學(xué)習(xí)型模型中，這個(gè)模型可以是深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，也可以是強(qiáng)化學(xué)習(xí)策略或模仿學(xué)習(xí)模型，經(jīng)學(xué)習(xí)模型處理后，最終會(huì)直接輸出車(chē)輛的控制量或軌跡命令。在這個(gè)過(guò)程中，模型內(nèi)部的特征提取、場(chǎng)景理解與行為推斷等步驟并不是顯式分離的，而是通過(guò)一個(gè)端到端可訓(xùn)練的框架隱式實(shí)現(xiàn)。這種方法強(qiáng)調(diào)的是將數(shù)據(jù)從原始感知輸入到控制輸出直接閉環(huán)，從而確保數(shù)據(jù)處理的一致性與整體性能。

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“基于規(guī)則仿真”則是另一種思路，它會(huì)將自動(dòng)駕駛系統(tǒng)拆分為感知、跟蹤、目標(biāo)預(yù)測(cè)、行為決策、路徑規(guī)劃與控制等若干功能明確的模塊。每個(gè)模塊都具有清晰的接口和內(nèi)部邏輯。仿真環(huán)境生成傳感器數(shù)據(jù)供給感知模塊，感知結(jié)果再依次傳遞給預(yù)測(cè)與規(guī)劃模塊，最終由控制模塊執(zhí)行相關(guān)的執(zhí)行動(dòng)作。在這個(gè)環(huán)節(jié)中，每個(gè)模塊會(huì)采用確定性算法、工程規(guī)則或可解釋的模型來(lái)實(shí)現(xiàn)，從而使得整個(gè)系統(tǒng)行為呈現(xiàn)出模塊化、可追蹤和可解釋的特性。這類(lèi)仿真更貼近傳統(tǒng)的軟件工程與控制工程的驗(yàn)證流程。

雖然兩者都可以進(jìn)行閉環(huán)測(cè)試，但出發(fā)點(diǎn)不同，端到端仿真關(guān)注的是整體策略在各種場(chǎng)景下的表現(xiàn)，而基于規(guī)則仿真?zhèn)戎赜谀K行為是否滿(mǎn)足規(guī)范、接口是否可靠、邊界條件是否安全。

兩者在仿真流程和關(guān)注點(diǎn)上的主要差別

端到端仿真的測(cè)試點(diǎn)主要集中在整體閉環(huán)表現(xiàn)上，因此其仿真設(shè)計(jì)、場(chǎng)景生成和評(píng)價(jià)指標(biāo)會(huì)圍繞最終的駕駛績(jī)效展開(kāi)。仿真環(huán)境需要盡可能地還原原始傳感器的物理成像過(guò)程，其中包括光照變化、雨雪霧等惡劣天氣、傳感器噪聲、時(shí)間延遲、運(yùn)動(dòng)模糊、遮擋以及物體材質(zhì)對(duì)回波/反射的影響。在訓(xùn)練過(guò)程中，端到端仿真會(huì)采用大量隨機(jī)化、對(duì)抗場(chǎng)景或強(qiáng)化學(xué)習(xí)任務(wù)，從而使模型學(xué)會(huì)魯棒策略。

端到端仿真的評(píng)價(jià)指標(biāo)側(cè)重于碰撞率、通過(guò)率、乘坐舒適性、軌跡跟蹤誤差以及在長(zhǎng)時(shí)閉環(huán)下的穩(wěn)定性等。端到端模型能夠自然處理感知與決策相耦合的問(wèn)題（例如感知不確定性如何影響軌跡輸出），但其會(huì)出現(xiàn)可解釋性較弱的問(wèn)題，從而難以快速定位失敗原因。

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基于規(guī)則仿真?zhèn)戎赜谠谀K級(jí)別進(jìn)行精細(xì)驗(yàn)證。感知模塊需要在仿真中統(tǒng)計(jì)檢測(cè)率、誤報(bào)率與跟蹤穩(wěn)定性；預(yù)測(cè)模塊需在多種交互場(chǎng)景下輸出合理的軌跡分布；規(guī)劃模塊則需滿(mǎn)足各類(lèi)約束（如碰撞約束、舒適性、交通法規(guī)）并生成可執(zhí)行路徑。由于每個(gè)模塊目標(biāo)明確，可以針對(duì)特定故障模式進(jìn)行單獨(dú)的注入測(cè)試，就比如可以人為制造傳感器漂移、虛假障礙物或GPS跳變等場(chǎng)景，從而觀察下游模塊的容錯(cuò)能力。基于規(guī)則的仿真更強(qiáng)調(diào)模塊接口的魯棒性、診斷能力與可驗(yàn)證性，這與自動(dòng)駕駛落地需要的安全證明、法規(guī)合規(guī)與工程可維護(hù)性等要求非常符合。

基于端到端的仿真與基于規(guī)則的仿真在場(chǎng)景覆蓋上也有不同，端到端仿真傾向于通過(guò)海量隨機(jī)場(chǎng)景和強(qiáng)化學(xué)習(xí)讓模型學(xué)會(huì)應(yīng)對(duì)未知場(chǎng)景；而基于規(guī)則仿真則更注重精心構(gòu)建具有代表性的極端場(chǎng)景、長(zhǎng)尾事件和法定場(chǎng)景，從而在每一個(gè)模塊上進(jìn)行可量化的驗(yàn)收測(cè)試。端到端方法需要更多的訓(xùn)練數(shù)據(jù)和長(zhǎng)時(shí)間的閉環(huán)訓(xùn)練，而基于規(guī)則方法則更依賴(lài)專(zhuān)家知識(shí)與形式化測(cè)試集。

兩者的技術(shù)要求及優(yōu)缺點(diǎn)

其實(shí)基于端到端與基于規(guī)則的兩種方法一直呈現(xiàn)互補(bǔ)特性。端到端的優(yōu)勢(shì)在于能更自然地處理復(fù)雜耦合行為，并在某些復(fù)雜場(chǎng)景下表現(xiàn)出比規(guī)則更強(qiáng)的靈活性；但其缺點(diǎn)就是可解釋性差、安全性難以證明且高度依賴(lài)訓(xùn)練數(shù)據(jù)與仿真質(zhì)量。

基于規(guī)則的優(yōu)勢(shì)在于可解釋、易于調(diào)試、便于滿(mǎn)足法規(guī)與工程質(zhì)量控制；但其劣勢(shì)是在面對(duì)長(zhǎng)尾或復(fù)雜交互場(chǎng)景時(shí)容易出現(xiàn)無(wú)法處理的問(wèn)題。因此許多公司會(huì)采用混合路線(xiàn)，將某些如緊急剎車(chē)、低速避障等確定性高、與安全強(qiáng)相關(guān)的功能設(shè)計(jì)為規(guī)則或受限模塊，而將更依賴(lài)感知理解的決策任務(wù)交給學(xué)習(xí)模塊。這兩種方法在仿真要求上也各不相同。

端到端仿真對(duì)仿真器的要求會(huì)更為苛刻，如果訓(xùn)練直接使用圖像或點(diǎn)云作為輸入，那么渲染質(zhì)量、隨機(jī)化策略與傳感器噪聲模型將直接決定訓(xùn)練結(jié)果的泛化能力。此外，為了支持端到端學(xué)習(xí)，仿真框架最好能提供可微的環(huán)境或高效的并行采樣能力，以便進(jìn)行強(qiáng)化學(xué)習(xí)或大規(guī)模數(shù)據(jù)生成。訓(xùn)練與調(diào)參過(guò)程也需要強(qiáng)大的算力支持、長(zhǎng)期的收斂監(jiān)控以及穩(wěn)健的評(píng)估流水線(xiàn)。

基于規(guī)則仿真在仿真器方面對(duì)物理渲染的要求相對(duì)降低，但對(duì)接口一致性、模塊仿真精度與可控性的要求更高。感知模塊或許能從簡(jiǎn)化的傳感器模型中獲取足夠的測(cè)試指標(biāo)，但路徑規(guī)劃與控制模塊仍需真實(shí)的車(chē)輛動(dòng)力學(xué)與傳動(dòng)響應(yīng)模型以保證物理一致性?；谝?guī)則的系統(tǒng)更易于進(jìn)行回歸測(cè)試和逐模塊驗(yàn)證，這也便于生成可證實(shí)的安全證明或符合法規(guī)的文檔。

兩者在驗(yàn)證、覆蓋與安全合規(guī)的不同

為了確保自動(dòng)駕駛安全，行業(yè)會(huì)傾向于選擇可解釋、可證明的系統(tǒng)行為，這使得基于規(guī)則的方法在合規(guī)路徑上更為有利。由于基于規(guī)則的方案中，每個(gè)模塊的性能都能通過(guò)明確指標(biāo)進(jìn)行衡量與記錄，出現(xiàn)問(wèn)題也可定位至特定模塊或接口，便于責(zé)任認(rèn)定與修正。基于規(guī)則的仿真可將重點(diǎn)放在邊界條件證明、故障注入測(cè)試以及對(duì)硬件故障的響應(yīng)邏輯上，這些都是認(rèn)證材料中的常見(jiàn)內(nèi)容。

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端到端系統(tǒng)的安全驗(yàn)證則會(huì)更難。要證明一個(gè)深度模型在所有可能場(chǎng)景下均安全幾乎不可能，因此需要附加多種措施，如在策略輸出外設(shè)置約束層、引入可解釋性工具、進(jìn)行大量的閉環(huán)對(duì)抗測(cè)試與場(chǎng)景發(fā)現(xiàn)（即自動(dòng)化地找出導(dǎo)致失敗的長(zhǎng)尾場(chǎng)景）。在仿真時(shí)必須更廣泛、多樣地覆蓋場(chǎng)景空間，其中一定要包含罕見(jiàn)交互、傳感器退化與復(fù)合異常。端到端系統(tǒng)的驗(yàn)證更強(qiáng)調(diào)統(tǒng)計(jì)置信度，可以通過(guò)大量場(chǎng)景測(cè)試得出低碰撞概率的置信區(qū)間，并采用蒙特卡洛或重要性采樣等風(fēng)險(xiǎn)估計(jì)方法。

基于規(guī)則的驗(yàn)證傾向于列舉并證明系統(tǒng)在已知關(guān)鍵場(chǎng)景（如交叉口禮讓、緊急制動(dòng)、變道約束）上的行為。端到端驗(yàn)證則傾向于構(gòu)建大量隨機(jī)化與對(duì)抗樣本，結(jié)合場(chǎng)景挖掘技術(shù)來(lái)發(fā)現(xiàn)模型弱點(diǎn)，進(jìn)而將這些弱點(diǎn)納入后續(xù)訓(xùn)練或加裝監(jiān)控邏輯。

現(xiàn)在很多技術(shù)方案中，對(duì)功能測(cè)試會(huì)采用“逐級(jí)驗(yàn)證”流程，即軟件通過(guò)仿真測(cè)試后，再依次進(jìn)行封閉場(chǎng)地、受控道路及小范圍真實(shí)道路測(cè)試，對(duì)兩種方法在逐級(jí)驗(yàn)證流程中也會(huì)存在差異。基于規(guī)則的模塊可以較快通過(guò)模塊化仿真進(jìn)入整車(chē)集成測(cè)試；而端到端模型由于其整體行為的任何細(xì)微調(diào)整都可能影響閉環(huán)性能，因此需要更長(zhǎng)的仿真訓(xùn)練周期與更謹(jǐn)慎的逐級(jí)放行策略。

最后的話(huà)

在自動(dòng)駕駛中端到端仿真與基于規(guī)則仿真的根本分歧，是對(duì)“智能”與“安全”兩大核心訴求的不同。二者的關(guān)系遠(yuǎn)非技術(shù)路線(xiàn)的簡(jiǎn)單競(jìng)爭(zhēng)，端到端探索著性能的“上限”，不斷挑戰(zhàn)在更復(fù)雜場(chǎng)景下何為“最優(yōu)解”；而基于規(guī)則則守護(hù)著安全的“下限”，確保系統(tǒng)行為始終處于“可接受”的范疇之內(nèi)。一個(gè)成熟的自動(dòng)駕駛系統(tǒng)，本質(zhì)上正是在這種對(duì)“最優(yōu)”的探索與對(duì)“可靠”的堅(jiān)守之間，所達(dá)成的一種動(dòng)態(tài)、審慎的工程平衡。