配有AtomicSense的8級(jí)卡車(chē)。（NPS）

NPS的先進(jìn)信息理論讓自動(dòng)駕駛汽車(chē)更快、更遠(yuǎn)、更清晰地“洞悉”一切。每年世界上有130多萬(wàn)人死于道路事故，5000萬(wàn)人受傷。盡管道路安全狀況隨著時(shí)間的推移有所改善，但在減少傷亡率方面，各國(guó)都面臨著艱巨挑戰(zhàn)。為了加快這一進(jìn)展，零傷亡愿景（Vision Zero）和美國(guó)國(guó)家道路安全戰(zhàn)略（National Roadway Safety Strategy）提出了目標(biāo)，不僅要改善安全狀況，更要實(shí)現(xiàn)道路事故零死亡。本文回答了以下三個(gè)問(wèn)題：

• 汽車(chē)要有多好的“視力”, 才能杜絕可預(yù)防道路死亡事故的發(fā)生？  

• 擁有這種視力需要哪些條件？ 

• 如何滿足這些條件？ 

為了在最壞的條件下也能杜絕可預(yù)防的道路死亡事故，我們認(rèn)為車(chē)輛感知信息（從環(huán)境中進(jìn)行取樣）并進(jìn)行處理的能力必須比人類(lèi)快十億倍。我們還認(rèn)為，先進(jìn)的傳感器系統(tǒng)能夠做到這個(gè)速度，而且這個(gè)系統(tǒng)可以在未來(lái)兩年內(nèi)實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。 汽車(chē)的“視力”必須好到什么程度？當(dāng)汽車(chē)能夠安全停車(chē)或轉(zhuǎn)向躲避危險(xiǎn)的情況下，往往能避免事故 。而一輛汽車(chē)突然沖向迎面而來(lái)的車(chē)流，或是一塊巨石突然落在汽車(chē)前面，這種情況，事故通常無(wú)法避免。 但是，只要遵守交通法規(guī)的汽車(chē)能夠在必要時(shí)安全停車(chē)或轉(zhuǎn)向，就可以杜絕可預(yù)防事故的發(fā)生。
提升道路安全的一個(gè)重要假設(shè)是：在所有道路條件下，看得更快、更清、更遠(yuǎn)都能夠加速實(shí)現(xiàn)道路事故零死亡?？吹酶炜梢詼p少感測(cè)時(shí)間，因此可以更早開(kāi)始感知；看得更清楚可以提高感知的可靠性，使汽車(chē)得以更早剎車(chē)或轉(zhuǎn)向；而看得更遠(yuǎn)意味著可以更早地開(kāi)始感測(cè)。為了杜絕可預(yù)防的道路死亡事故，車(chē)輛必須感知到人類(lèi)無(wú)法感知的東西。雷達(dá)、激光雷達(dá)、處理器和分析技術(shù)的進(jìn)步讓車(chē)輛能夠比人類(lèi)更好地感知前方和周?chē)h(huán)境。這有助于在最?lèi)毫拥鸟{駛條件下杜絕可預(yù)防事故的發(fā)生，并在不太惡劣的條件下實(shí)現(xiàn)更平穩(wěn)的制動(dòng)。最糟糕的情況包括： 

• 雨、雪、冰雹、大霧天氣和黑暗環(huán)境

• 特定道路的最高車(chē)速規(guī)定

• 阻礙視線的彎道、斜坡、建筑物和峽谷

• 與負(fù)載相關(guān)的制動(dòng)條件下限，以及與溫度、壓力和表面摩擦相關(guān)的輪胎條件。

我們使用信息理論和物理學(xué)的原理，來(lái)確保有足夠的精度（保真度）和頻率（幀數(shù)/秒）重建最糟糕場(chǎng)景所需的數(shù)據(jù)速率（位/秒），以避免發(fā)生可預(yù)防的事故。

圖1：8級(jí)卡車(chē)在夜間雪地行駛。（NPS）為了說(shuō)明這一點(diǎn)，請(qǐng)想象在夜間降雪天氣，一輛重型卡車(chē)在公路上行駛時(shí)所面臨的場(chǎng)景（圖1）。重建這個(gè)場(chǎng)景需要以足夠的精度將卡車(chē)周?chē)亩叹嚯x空間和前方的長(zhǎng)距離空間分割成被稱(chēng)為“體素”的立方體狀的小“積木”。引入的體素越小，數(shù)量越多，可實(shí)現(xiàn)的精度就越高。為了在最?lèi)毫拥臈l件下實(shí)現(xiàn)安全停車(chē)或轉(zhuǎn)向，卡車(chē)公司的駕駛員和卡車(chē)自動(dòng)駕駛的開(kāi)發(fā)者認(rèn)為他們需要看到卡車(chē)方圓約250米（820英尺）和前方約1000米（3281英尺）的范圍，以及約30度的長(zhǎng)距離視場(chǎng)角（FoV）。根據(jù)這些要求，傳感器需要探測(cè)到約30億個(gè)體素以重建圖1的場(chǎng)景。1000米遠(yuǎn)的體素體積約為2*2*2英尺（0.6*0.6*0.6米），比100米（328英尺）遠(yuǎn)的體素體積多出幾個(gè)數(shù)量級(jí)的采樣量。高精度采樣是確?？深A(yù)防道路事故零死亡的重要條件，這意味著必須以極快的速度對(duì)超詳細(xì)場(chǎng)景進(jìn)行更新。將代表物理測(cè)量數(shù)據(jù)的連續(xù)模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為通過(guò)時(shí)間間隔的0和1組成的數(shù)字信息流，就可以得到場(chǎng)景數(shù)據(jù)。當(dāng)雷達(dá)和激光雷達(dá)傳感器查詢(xún)體素中的原始數(shù)據(jù)時(shí)，它們需要可靠地檢測(cè)目標(biāo)并避免誤報(bào)。由于環(huán)境嘈雜，傳感器必須多次探測(cè)體素以達(dá)到90%以上的可靠度和低于百萬(wàn)分之一的錯(cuò)誤警報(bào)率。為了杜絕可預(yù)防事故的發(fā)生，在1000米遠(yuǎn)的最弱信噪比下（最差條件）也要達(dá)到這一性能。基于關(guān)鍵變量的代表值和敏感性分析，我們的計(jì)算表明在最壞的條件下，實(shí)現(xiàn)可預(yù)防道路事故零死亡所需的數(shù)據(jù)速率接近驚人的7×1015 比特/秒（7Pb/秒）！從這個(gè)角度計(jì)算，人眼輸送到大腦的感知數(shù)據(jù)速率約為10×106 比特/秒，約為預(yù)防事故所需信息處理速率的十億分之一。因此，人類(lèi)沒(méi)有足夠快的感知和信息處理能力來(lái)杜絕可預(yù)防的道路死亡事故。在可預(yù)防道路事故零死亡上面，攝像頭的感知能力同人類(lèi)一樣不夠強(qiáng)大。攝像頭和我們的眼睛類(lèi)似，當(dāng)環(huán)境光線充足時(shí)，它運(yùn)轉(zhuǎn)良好并且不需要看穿目標(biāo)物或周?chē)慕锹洹５?，為了?shí)現(xiàn)道路零死亡，我們需要在最壞的光照條件下快速檢測(cè)出隱藏的目標(biāo)物。然而，無(wú)論攝像頭采樣速度有多快，在最壞的條件下，都是無(wú)法找到這些目標(biāo)物的。 利用原子范數(shù)任何一個(gè)物理掃描整個(gè)覆蓋范圍的傳感器系統(tǒng)所需的數(shù)據(jù)速率都高到讓人難以置信，不過(guò)只有這樣才能更快、更遠(yuǎn)、更清晰地重建場(chǎng)景，才能在最壞的條件下杜絕可預(yù)防的道路死亡事件。只是目前，沒(méi)有任何一個(gè)系統(tǒng)能夠接近做到這一點(diǎn)。
幸運(yùn)的是，在與先進(jìn)傳感器和系統(tǒng)芯片（SoC）相結(jié)合時(shí)，有一種數(shù)學(xué)框架可以滿足場(chǎng)景重建的海量數(shù)據(jù)速率要求，并讓手動(dòng)駕駛和自動(dòng)駕駛車(chē)輛都有足夠的感知能力以杜絕可預(yù)防的道路死亡事件。這種以壓縮感知（CS）為基礎(chǔ)的技術(shù)被稱(chēng)為原子范數(shù)（AN），能夠減少維持一定性能水平所需的測(cè)量次數(shù)，目前已被開(kāi)發(fā)用于改善磁共振成像（MRI）質(zhì)量。AN使用更寬的光束和更好的計(jì)算方法，以允許單獨(dú)查詢(xún)每個(gè)體素。它還基于一個(gè)事實(shí)，即超過(guò)99%的體素只是空曠空間。這種方案將數(shù)據(jù)速率降低到?jīng)]有AN技術(shù)時(shí)的速率的百分之一到十分之一，同時(shí)還能持續(xù)監(jiān)測(cè)整個(gè)空間。基于敏感性分析，我們認(rèn)為使用AN技術(shù)時(shí)手動(dòng)和自動(dòng)駕駛車(chē)輛必須能夠以約100 x 1012比特/秒（100Tb/秒）的峰值速率對(duì)環(huán)境進(jìn)行感知，以處理在最糟糕條件下傳感器數(shù)據(jù)的激增。這比不使用AN時(shí)7Pb/秒的速率降低至少98%。除了能夠降低所需的數(shù)據(jù)速率，AN技術(shù)僅需五十分之一的發(fā)射功率就能夠獲得與傳統(tǒng)雷達(dá)算法相同的性能，提供更高的分辨率并檢測(cè)到更多目標(biāo)物。傳統(tǒng)的汽車(chē)?yán)走_(dá)幾乎不能探測(cè)到100米外的行人，但使用AN和多波段雷達(dá)可以在雨、雪、冰雹、大霧天氣和黑暗環(huán)境中探測(cè)到超500米（1640英尺）外的行人。 請(qǐng)達(dá)到100Tb/秒的感知速度需要什么？

圖2：“道路零死亡”的要求是如何向下傳遞。（NPS）

圖2顯示了“道路零死亡”的要求是如何向下傳遞并體現(xiàn)在具體的傳感要求上，以及滿足傳感要求是如何向上傳遞以助力實(shí)現(xiàn)其他系統(tǒng)要求的。我們的前提是，需要始終100%識(shí)別環(huán)境中的情況，以實(shí)現(xiàn)可預(yù)防的零道路死亡，通過(guò)在最糟糕條件下以100Tb/秒左右的速度進(jìn)行感知和處理，才能更容易地滿足更高級(jí)別的系統(tǒng)要求。要做到這一點(diǎn)，原子范數(shù)必須與多波段雷達(dá)、固態(tài)激光雷達(dá)、SoC處理器和數(shù)字地圖相結(jié)合。
通過(guò)不同的傳播和反射特性，不同的雷達(dá)波段可以互相補(bǔ)充——高波段雷達(dá)能夠提供更高的分辨率；低波段雷達(dá)擁有更廣的探測(cè)范圍（特別是在惡劣天氣條件下），并且可以穿過(guò)目標(biāo)物或在其周?chē)l(fā)生彎曲。由于目標(biāo)物在不同頻段下的反射能力不同，人們可以利用不同的雷達(dá)反應(yīng)來(lái)確定不同目標(biāo)的組成材料（例如金屬與柔軟物品）。這意味著雷達(dá)必須運(yùn)用因果和邏輯推斷能力來(lái)識(shí)別環(huán)境中的多光譜反應(yīng)。固態(tài)激光雷達(dá)具有高精度重復(fù)掃描的優(yōu)勢(shì)，且沒(méi)有活動(dòng)部件。激光雷達(dá)與雷達(dá)一起用于長(zhǎng)距離視場(chǎng)角。 它依靠多個(gè)激光發(fā)射器和探測(cè)器對(duì)視場(chǎng)角的同一場(chǎng)景進(jìn)行掃描，這能夠提高信噪比、延長(zhǎng)探測(cè)距離，同時(shí)增加光子路徑多樣性以提高可靠性。經(jīng)過(guò)精心設(shè)計(jì)的激光脈沖序列可用于提高信號(hào)水平，并在單個(gè)體素內(nèi)檢測(cè)和定位多個(gè)目標(biāo)。高度先進(jìn)的邊緣AI處理器對(duì)來(lái)自每個(gè)傳感器模塊的龐大數(shù)據(jù)流進(jìn)行跟蹤、分析和解析。SoC處理器是高端、低功耗的專(zhuān)用硅芯片，具有半柔性架構(gòu)。它們是處理100Tb/秒的數(shù)據(jù)流所需的計(jì)算中樞，并且?guī)资畟€(gè)這樣的處理器要同時(shí)工作并完美配合。最后，數(shù)字地圖幫助我們了解道路在哪里彎曲，坡度在哪里出現(xiàn)，并提供線索提醒我們關(guān)注最需要注意的體素。 此外，了解峰頂?shù)奈恢每梢宰屛覀儼踩卣{(diào)整車(chē)速，以減小無(wú)法觀察山體走勢(shì)帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)。 汽車(chē)能有100Tb/秒的感知速度嗎？NPS對(duì)三種創(chuàng)新方案進(jìn)行了結(jié)合：

• 新型固態(tài)長(zhǎng)距離激光雷達(dá)，可讓汽車(chē)探測(cè)到1000多米外騎自行車(chē)的人。

• 新型多波段雷達(dá)，可在雨、雪、霧等天氣中探測(cè)到500米外的行人，且漏報(bào)率極低。

• 原子范數(shù)數(shù)學(xué)框架可實(shí)現(xiàn)近乎完美的探測(cè)和評(píng)估性能，且能以定制芯片或AI軟件的形式實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。

初步研究證實(shí)，新型傳感器平臺(tái)核心元件6的探測(cè)范圍、角度分辨率和精度都接近理論性能極限。（查看測(cè)試結(jié)果請(qǐng)?jiān)L問(wèn)www.nps.ai）。根據(jù)這一概念證明我們可以得出結(jié)論：該技術(shù)具備100Tb/秒的感知速度，其“視力”足以實(shí)現(xiàn)可預(yù)防道路事故零死亡。

圖3：F/1.8最大光圈的AtomicSense（NPS）

我們正在開(kāi)發(fā)一款名為AtomicSense（NPS已將其注冊(cè)為商標(biāo)）的商業(yè)傳感器系統(tǒng)平臺(tái)，擁有100Tb/秒的感知速度。長(zhǎng)途卡車(chē)運(yùn)輸將是第一個(gè)商業(yè)應(yīng)用場(chǎng)景（圖3），隨后是自動(dòng)駕駛出租車(chē)，然后是私家車(chē)。我們基于FGPA（可編程陣列邏輯）開(kāi)發(fā)的傳感器融合系統(tǒng)原型，安裝在克萊斯勒大捷龍（Pacifica）車(chē)型上，目前正在加州的公路上進(jìn)行路測(cè)，并將于2022年12月冬季開(kāi)始部署在美國(guó)中西部公路上行駛的8級(jí)卡車(chē)上。
在2022和2023年，我們將繼續(xù)提高原子范數(shù)技術(shù)的算法能力、部署定制芯片，在提高性能的同時(shí)降低功率、尺寸和成本。AtomicSense計(jì)劃到2024年實(shí)現(xiàn)更快、更遠(yuǎn)、更清晰的觀察所需的所有關(guān)鍵目標(biāo)，以幫助可預(yù)防卡車(chē)事故零發(fā)生。AtomicSense能幫助那些開(kāi)發(fā)高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）和全自動(dòng)駕駛系統(tǒng)的公司加快實(shí)現(xiàn)道路事故零死亡。對(duì)于這些公司的關(guān)鍵問(wèn)題是：“要實(shí)現(xiàn)道路事故零死亡，到底需要些什么？”我們認(rèn)為，能夠看到并處理大約100Tb/秒的數(shù)據(jù)量是必要要求之一。通過(guò)將突破性分析、先進(jìn)的多波段雷達(dá)、固態(tài)激光雷達(dá)、傳感器融合和SoC技術(shù)進(jìn)行結(jié)合，這的確是有可能實(shí)現(xiàn)的。