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文檔簡介
汽車自動駕駛算法行業(yè)市場分析
1、自動駕駛一一數(shù)據(jù)驅(qū)動下的算法迭代
1.1、自動駕駛算法是感知、預(yù)測、規(guī)劃、控制的結(jié)合體
自動駕駛算法反應(yīng)了工程師們根據(jù)人的思維模式,對自動駕駛所需處
理過程的思考,通常包含感知、預(yù)測、規(guī)劃模塊,同時輔助一些地圖、
定位等模塊,實現(xiàn)自動駕駛功能的落地。
感知:感知外部世界
感知模塊主要解決四類任務(wù):(1)檢測:找出物體在環(huán)境中的位置;
(2)分類:明確對象是什么,如分辨不同類別交通標(biāo)志;(3)跟蹤:
隨著時間的推移觀察移動物體,通常采用跨幀追蹤對象(將不同幀中
檢測到的對象進行匹配)、BEV加入時序信息等實現(xiàn);(4)語義分
割:將圖像中的每個像素與語義類別匹配,如道路、天空、汽車等,
用于盡可能詳細了解環(huán)境。以Apollo感知算法框架為例,其算法包
含預(yù)處理、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型、后處理等模塊。首先圖像預(yù)處理主要是對
圖像進行調(diào)整、畸變校正等,使之更符合機器學(xué)習(xí)的要求。其次分別
對紅綠燈、車道線、障礙物等特征進行檢測,其中紅綠燈通過檢測邊
框、顏色等進行進一步的識別;障礙物則經(jīng)過2D到3D的轉(zhuǎn)換,得
出真實的信息坐標(biāo),再融合車道線檢測信息、外部傳感器信息等得出
真實世界的障礙物信息。該部分通常采用全卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)或者YOLO
等算法實現(xiàn)。
1.1.2.預(yù)測:理解外部環(huán)境和當(dāng)前狀態(tài)
預(yù)測模塊實際上是算法對外部環(huán)境和自車狀態(tài)的理解。預(yù)測模塊首先
收集感知模塊輸入的車道線、障礙物、紅綠燈、地圖、定位等信息對
主車的狀況進行判斷。其次場景感知模塊對外部障礙物的優(yōu)先級、路
權(quán)等外部環(huán)境對主車的影響進行感知。評估器則會根據(jù)場景信息和障
礙物信息判斷出障礙物的軌跡或意圖。預(yù)測器則根據(jù)短期的預(yù)測軌跡
和意圖判斷障礙物等外部環(huán)境相對長期的軌跡。這將為未來汽車的規(guī)
劃提供重要的參考。算法層面通常以RNN為主。
圖3:百度Apollo的算法中,預(yù)測模塊包含場景理解、評估、預(yù)測等環(huán)節(jié)
感際信息容濤場景感際評估涔預(yù)測涔
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1.1.3、規(guī)劃:思考如何行動
規(guī)劃指找到合理路徑來到達目的地。規(guī)劃通常分為全局路徑規(guī)劃、行
為規(guī)劃與運動規(guī)劃幾個部分。其中,全局路徑規(guī)劃指智能汽車依靠地
圖規(guī)劃出理想狀態(tài)下到達目的地的路徑。行為規(guī)劃則是主車在實際行
駛的過程中,面臨實時的交通環(huán)境,做出的各類駕駛行為,如跟車、
換道、避讓等。運動規(guī)劃生成與駕駛行為對應(yīng)的駕駛軌跡,包含路徑
規(guī)劃和速度規(guī)劃。最后再采用一些優(yōu)化方式讓變道加速等行為變得平
順以滿足舒適性要求。算法層面,通常采用基于規(guī)則的規(guī)劃決策算法,
前沿的玩家也開始引入機器學(xué)習(xí)等方式,以提升決策效能。
1.2、數(shù)據(jù):算法的養(yǎng)料,現(xiàn)實與虛擬的交織
算法、算力和數(shù)據(jù)是人工智能的三大要素,數(shù)據(jù)在模型訓(xùn)練中擁有不
可忽視的影響。一方面,Transformer等大模型在大體量數(shù)據(jù)集訓(xùn)練
下才能表現(xiàn)更佳的特性帶來其對訓(xùn)練端數(shù)據(jù)的要求激增,特斯拉在
2022年AIDAY上曾表示,訓(xùn)練其占用網(wǎng)絡(luò)采用了14億幀圖像數(shù)據(jù)。
另一方面,由于自動駕駛面臨的場景紛繁復(fù)雜,諸多長尾問題需要在
現(xiàn)實或虛擬場景中獲取。因此數(shù)據(jù)閉環(huán)在自動駕駛領(lǐng)域彌足重要。毫
末智行將數(shù)據(jù)作為“自動駕駛能力函數(shù)”的自變量,認(rèn)為是決定能力發(fā)
展的關(guān)鍵,Momenta也曾表示,L4要實現(xiàn)規(guī)模化,至少要做到人類
司機的安全水平,最好比人類司機水平高一個數(shù)量級,因此需要至少
千億公里的測試,解決百萬長尾問題。
數(shù)據(jù)挖掘和針對性的訓(xùn)練能顯著減少CornerCaseo以特斯拉為例,
在面臨一個看起來像臨時停車但實際上是永久停車的場景時,最初算
法會將其判定為臨時停車。當(dāng)特斯拉通過數(shù)據(jù)挖掘在訓(xùn)練集中增加了
1.4萬個類似場景的視頻并訓(xùn)練模型后,神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)便理解了這輛車?yán)?/p>
面沒有司機,將其判別為永久停車。
2、大模型橫空出世,自動駕駛奇點來臨
早期自動駕駛方案采用激光雷達+高精度地圖為主。早期市場以傳統(tǒng)
計算機視覺和專家系統(tǒng)為基礎(chǔ)構(gòu)建輔助駕駛功能,隨后人工智能的蓬
勃發(fā)展讓深度學(xué)習(xí)在自動駕駛領(lǐng)域被廣泛使用,以waymo為代表的
自動駕駛先驅(qū)玩家開創(chuàng)了激光雷達+高精度地圖的感知范式,Cruise.
白度等巨頭紛紛效仿。該方案中,對道路結(jié)構(gòu)、車道線等靜態(tài)環(huán)境元
素的感知強依賴高精度地圖,而實時的動靜態(tài)障礙物信息則強依賴激
光雷達。高精地圖成為一項“基礎(chǔ)設(shè)施”,將很多在線難以解決的問題
提前存儲到地圖數(shù)據(jù)中,行車時作為一項重要的感知數(shù)據(jù)來源,減輕
傳感器和控制器的壓力。由于該方案只能在有圖地區(qū)行駛,也被一些
人形象的稱為“有軌電車,
高昂的單車成本和高精度地圖成為自動駕駛大規(guī)模推廣瓶頸。
Robotaxi成本高昂(Yole統(tǒng)計早期Waymo為代表的的自動駕駛汽
車改裝成本約為20萬美元),高精度地圖采集制作以及合規(guī)要求繁
雜(量產(chǎn)落地過程中,高精度地圖面臨:采集成本高;人工修圖制圖
費時費力;地圖鮮度不足;國內(nèi)法規(guī)嚴(yán)格等困難),帶來該方案的泛
化性較差。經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展,Robotaxi的使用范圍仍被限制在特
定區(qū)域,使用對象也僅局限在商用車領(lǐng)域。市場亟待出現(xiàn)一種單車性
能強大、成本低廉的自動駕駛解決方案。
2.1.BEV+Transformer橫空出世,大模型推動自動駕駛邁向普及
2021年特斯拉推出BEV+transformer、重感知輕地圖的自動駕駛解
決方案,開啟了自動駕駛行業(yè)新的篇章。
2.1.1、BEV感知助力成為感知外部世界標(biāo)準(zhǔn)范式
BEV全稱為Bird'sEye-View(鳥瞰圖),即通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)將各個攝
像頭和傳感器獲取的信息進行融合,生成基于俯視的“上帝視角”的鳥
瞰圖,同時加入時序信息,動態(tài)的對周邊環(huán)境進行感知輸出,便于后
續(xù)預(yù)測規(guī)劃模塊使用。正如人類一樣,駕駛行為需要將各處觀察到的
信息綜合到統(tǒng)一的空間中,來判別什么地方是可以行駛的區(qū)域。究其
原因,駕駛行為是在3D空間中的行為,而鳥瞰圖則是將2D的透視
空間圖像轉(zhuǎn)換為3D空間,不存在距離尺度問題和遮擋問題,使得算
法可以直觀的判斷車輛在空間中的位置以及與其他障礙物之間的關(guān)
系。
2.1.2、Transformer大模型為構(gòu)建BEV空間提供最優(yōu)解
2021年特斯拉在AIDay上第一次將BEV+transformer的算法形式引
入到自動駕駛,開啟了自動駕駛的嶄新時代。首先BEV空間的構(gòu)建,
實際上就是尋找一種恰當(dāng)?shù)姆绞?,將多個2D的圖像和傳感器信息綜
合轉(zhuǎn)化成為一個3D的向量空間。經(jīng)過多次嘗試,特斯拉最終引入了
Transformer大模型來實現(xiàn)這一轉(zhuǎn)換。Transformer大模型是近年人
工智能領(lǐng)域的熱門算法,其主要通過注意力機制來分析關(guān)注元素之間
的關(guān)系進而理解外部世界。早年被應(yīng)用于自然語言處理領(lǐng)域,后續(xù)延
展到計算機視覺等多個方向。算法的優(yōu)勢顯著:
具有更好的全局信息感知能力:Transformer模型更關(guān)注圖像特征之
間的關(guān)系,因此會跟多關(guān)注整個圖像的信息,卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)更多關(guān)注
固定大小區(qū)域的局部信息,因此Transformer在面對圖像中長程依賴
性的問題擁有更好的表現(xiàn)。
天花板高企適用于大規(guī)模數(shù)據(jù)訓(xùn)練場景:在圖像識別能力方面,
Transformer擁有更高的上限,隨著訓(xùn)練數(shù)據(jù)量的增長,傳統(tǒng)CNN
模型識別能力呈現(xiàn)飽和態(tài)勢,而Transformer則在數(shù)據(jù)量越大的情況
下?lián)碛懈玫谋憩F(xiàn)。而自動駕駛洽洽為面向海量的數(shù)據(jù)場景,要求有
足夠好的精度的場景。
擁有多模態(tài)感知能力:Transformer可實現(xiàn)多模態(tài)數(shù)據(jù)的處理,應(yīng)對
圖像分類、目標(biāo)檢測、圖像分割功能,并實現(xiàn)對3D點云、圖像等數(shù)
據(jù)的融合處理。
靈活、較好的泛化性能:Transformer可適用于不同大小的輸入圖像,
同時外部環(huán)境包含擾動的情況下仍能保持較好的檢測性能。
但CNN網(wǎng)絡(luò)在提取底層特征和視覺結(jié)構(gòu)方面有比較大的優(yōu)勢,而在
高層級的視覺語義理解方面,需要判別這些特征和結(jié)構(gòu)之間的如何關(guān)
聯(lián)而形成一個整體的物體,采用Transformer更加自然和有效。同時
CNN也擁有更好的效率,可以采用更低的算力實現(xiàn)效果。因此業(yè)界
通常會將CNN和Transformer結(jié)合來進行物體識別。
2.1.3.特斯拉引領(lǐng)打開自動駕駛天花板
特斯拉的自動駕駛算法結(jié)構(gòu)中,首先將攝像頭信息無損采集,送入卷
積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)Regnet來提取不同尺度的圖像特征,接著使用BiFPN進
行特征融合,然后將這些特征送入Transformer模塊,利用
Transformer中的多頭注意力機制來實現(xiàn)2D圖像特征到三維向量空
間的轉(zhuǎn)換和多攝像頭特征系信息的融合,之后接入不同的“頭”如交通
標(biāo)志檢測、障礙物檢測等,來實現(xiàn)不同任務(wù)的處落地,形成一套優(yōu)雅
的,可完美實現(xiàn)數(shù)據(jù)驅(qū)動的感知算法。由十不同的“頭”之間采用了共
享的特征提取網(wǎng)絡(luò),因此被特斯拉起名為‘九頭蛇”算法架構(gòu)。
特斯拉的BEV+Transformer算法中兩個環(huán)節(jié)尤為關(guān)鍵:
(1)2D圖像到3D空間的轉(zhuǎn)換以及圖像融合:在2D圖像到3D向
量空間轉(zhuǎn)換的環(huán)節(jié),特斯拉在行業(yè)內(nèi)首次引入了Transformer。具體
而言,先構(gòu)建一個想要輸出的三維的柵格空間,并對其進行位置編碼
成為查詢向量(Query),然后將每個圖像和自己的特征輸出相應(yīng)的
查詢鍵碼(Key)和值(Value),最終輸入到注意力機制中輸出想
要的結(jié)果。類似于每個圖像中的特征都廣播自己是什么物體的一部分,
而每個輸出空間的位置像素像拼圖一樣,尋找對應(yīng)的特征,最終構(gòu)建
出希望輸出的向量空間。(Query、Key、Value分別為Transformer
算法中的參數(shù),通過將外部世界轉(zhuǎn)化為參數(shù)而實現(xiàn)信息處理和任務(wù)輸
出)
(2)加入時序信息,讓算法擁有“記憶”:為了讓自動駕駛算法捱有
類似一段時間內(nèi)“記憶”的能力,特斯拉在感知網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中加入了時空
序列特征層。通過引入慣性導(dǎo)航傳感器獲取的包含速度和加速度等自
車運動的信息,算法模型可獲取時間和空間的記憶能力。具體而言,
特斯拉給算法加入特征隊列模塊(FeatureQueue),他會緩存一些
特征值(包含歷史幀的BEV特征、慣導(dǎo)傳感器信息等),便于了解
車輛行動,這個序列包含時間和空間記憶。然后引入視頻模塊(Video
Module)使用空間循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(SpatialRNN)/transformer等算
法將前述緩存的特征進行融合,關(guān)聯(lián)前后時刻信息,使得模型具有記
憶能力,讓自動駕駛汽車將?同時能夠記住上一段時間和上一段位置的
檢測信息。
圖14:杵斯拉為感知部分加入時序信息已增強其“記憶”
時序信息融合
.計征序列(存儲時序信息)
車輛運動學(xué)信息
Multi-C4m<fafusion&BEVtransform1多攝像頭融合及BEV視角轉(zhuǎn)換
2PN
共享皆干網(wǎng)絡(luò)提取圖像特征
2.1.4.BEV+Transformer大模型提供遠強于傳統(tǒng)自動駕駛算法的感
知能力
(1)改善2D-3D空間轉(zhuǎn)換過程中深度預(yù)測難點,感知性能大幅提升
弓I入BEV+Transfo「mer后,模型對于2D空間向3D空間轉(zhuǎn)換的精度
大幅提高。構(gòu)建BEV模型一大重要任務(wù)是實現(xiàn)2D圖片到3D空間的
轉(zhuǎn)換,通常業(yè)內(nèi)有四大類方式實現(xiàn)2D-3D視角轉(zhuǎn)換:早期通常以基
于相機內(nèi)外參數(shù)(焦距、光芯、俯仰角、偏航角和地面高度)的兒何
變換的IPM(逆透視變換)實現(xiàn),由于該方式基于地面純平、俯仰角
一定的假設(shè),約束條件實現(xiàn)難度高;后續(xù)英偉達推出BEV行業(yè)的開
山之作LSS算法,但由于其計算量龐大以及精度仍然有限,難以支
撐BEV的真正落地;其后學(xué)界業(yè)界探索了眾多方案,包含基于神經(jīng)
網(wǎng)絡(luò),通過監(jiān)督學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)驅(qū)動實現(xiàn)BEV空間構(gòu)建等方式,但深度估
計的精度均不盡人意。2021年,特斯拉首次將Transformer應(yīng)用于
BEV空間的構(gòu)建,在多攝像頭視角下,相比傳統(tǒng)感知方式,大幅提
升了感知精度,該方案推出后也迅速被業(yè)界廣泛追捧。
(2)完美實現(xiàn)多攝像頭、多傳感器的信息融合,極大方便后續(xù)規(guī)控
任務(wù)
BEV+Transformer實際上引入“特征級融合”(中融合)方式。通常自
動駕駛汽車擁有6-8個攝像頭以及其他多種傳感器,在感知過程中,
需要將各類傳感器的信息進行融合。傳感器融合大體可分為幾大類:
數(shù)據(jù)級融合(前融合):直接將傳感器采集的數(shù)據(jù)如圖像和點云融合。
該方案優(yōu)勢在于數(shù)據(jù)損失少,融合效果好,但時間同步、空間同步要
求達到像素級別,難度較高,需要對每個像素計算,對算力消耗大,
目前少有使用。
目標(biāo)級融合(后融合):將每個傳感器采集信息并處理后的目標(biāo)進行
融合。該方案是此前自動駕駛主流采用的方案,被廣泛應(yīng)用于攝像頭
之間、不同傳感器之間的信息融合。優(yōu)勢在于算法簡單、解耦性好即
插即用。但也存在致命問題,由于融合前的處理損失了大量關(guān)鍵信息,
影響感知精度,融合結(jié)果容易沖突或錯誤。此外后融合中的融合算法
仍然基于規(guī)則,無法進行數(shù)據(jù)驅(qū)動,存在局限性。
特征級融合(中融合):則將原始傳感器采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過特征提取后
再將特征向量進行融合。該方案的優(yōu)勢在于,數(shù)據(jù)損失少、將目標(biāo)“分
解”為特征,更容易在不同相機和傳感器之間關(guān)聯(lián),融合效果好。在
BEV+transformer算法中實際上均采用中融合的方式。
以路過大型卡車場景為例,障礙物某個時刻在5個攝像頭中同時出現(xiàn),
且每個攝像頭只能觀察到車的某個部分。傳統(tǒng)算法通常會分別在每個
攝像頭內(nèi)完成檢測,再融合各攝像頭的結(jié)果。通過部分信息識別出卡
車整體的特征及其困難,且一旦完成物體險測,相當(dāng)于“腦補”了看不
到的部分,誤差較大拼接困難,經(jīng)常會識別為多個目標(biāo)或漏檢。而
BEV+Transformer通過特征級融合,完美生成鳥瞰視角下的場景,
并且識別精度更高。
(3)更易融入時序信息,模型擁有“記憶”,避免遮擋等問題
感知算法中,時序融合能夠大幅提升算法連續(xù)性,對障礙物的記憶可
解決遮擋問題,更好的感知速度信息,對于道路標(biāo)志的記憶可提升駕
駛安全和對汽車車輛行為預(yù)測的準(zhǔn)確度,增強算法的可靠性和精度。
在BEV+transformer算法中,由于所有的感知被統(tǒng)一到3D鳥瞰圖空
間,通過將不同時間和不同位置的特征關(guān)聯(lián)可很容易的實現(xiàn)時序信息
的融合。如在面對遮擋場景時,帶有時序信息的自動駕駛算法感知效
果遠優(yōu)于基于單幀圖像感知的算法。同時也更便于下游的規(guī)劃控制算
法實現(xiàn)對障礙物的追蹤。
(4)汽車擁有實時建圖能力,擺脫對高精度地圖的依賴
BEV+Transformer算法可在車端實時構(gòu)建媲美高精地圖的高精度局
部地圖,能夠在任意常規(guī)道路條件下,實現(xiàn)自動駕駛所需的靜態(tài)場景
深刻理解,然后以此為基礎(chǔ),端到端的輸出障礙物的軌跡和速度、車
道線信息等,實現(xiàn)復(fù)雜場景下的自動駕駛應(yīng)用,而不需要依賴高精地
圖。使得算法的泛化性大幅提升,成本也大幅下降。
2.2、占用網(wǎng)絡(luò)提供3D世界感知,形成通用障礙物識別能力
占用網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建通用障礙物感知體系,提升對未知物體感知效果。直接
在矢量空間產(chǎn)生統(tǒng)一的體積占用數(shù)據(jù),對于車子周圍任意的一個3D
位置,它預(yù)測了該位置被占用的概率,對每個位置它還會產(chǎn)生一定的
語義信息比如路邊、汽車、行人、或者路上的碎片等等,用不同的顏
色標(biāo)出,同時觀測速度信息,形成“占用柵格”'柵格流(描述速度信
息)”+弱語義的表達形式。對特斯拉而言,即將原有Transformer算
法輸出的2DBEV+時序信息的向量空間增加高度信息,形成3DBEV+
時序信息的4D空間表達形式。網(wǎng)絡(luò)在FSD上每10ms運行一次,
即以100FPS的速度運行,模型檢測速度大幅提升。
占用網(wǎng)絡(luò)優(yōu)勢顯著:(1)其改變了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法先“認(rèn)識”才能‘識別”
的特性,形成了動靜態(tài)物體統(tǒng)一的障礙物感知方式,可大幅減少
Cornercase,提升安全性。(2)擺脫檢測框的約束,對不規(guī)則外形
障礙物的感知能力大大增強。(3)對特斯拉來說,通用障礙物感知
能力可以復(fù)用到其他產(chǎn)品如機器人上,形成了統(tǒng)一的算法框架。
占用網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建并非單獨算法上得演進,而是體系能力的提升。3D
空間的距離真值獲取實際上較為困難,即使擁有激光雷達,其稀疏的
點云信息仍然難以滿足占用網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練需求,而由于仿真環(huán)境中距離
真值信息可以直接獲取,因此占用網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建幾乎和強大的仿真場景
構(gòu)建相輔相成。
2.3、規(guī)控算法由基于規(guī)則邁向基于神經(jīng)網(wǎng),大模型開始嶄露頭角
2.3.1>人工智能逐步滲透進入規(guī)控算法
發(fā)力安全性、舒適性和效率,規(guī)控算法成為當(dāng)前頭部玩家主攻方向。
人能夠基于非常有限的感知信息完美實現(xiàn)駕駛行為,很大程度因為人
類擁有強大的“規(guī)控”能力。對自動駕駛而言,采取一種讓安全性、舒
適性和效率都達到最大化的駕駛策略無疑是各大廠商不懈追求的目
標(biāo)。而該環(huán)節(jié)也直接決定了自動駕駛功能的消費者體驗,目前頭部玩
家已經(jīng)將主攻方向轉(zhuǎn)移到規(guī)控算法領(lǐng)域。
a24:自動駕駛的目標(biāo):安全、仔適、效率
“擬人化”、強泛化性,人工智能推動自動駕駛“老司機'上線。規(guī)控算
法的難度較高,存在諸多非確定(如輔路與干道沒有綠化帶隔離,輔
路的車輛可隨時進入干道)、強交互(如多個物體在同一場環(huán)境下決
策會相互影響,存在一定博弈性)、強主觀(如駕駛員的駕駛風(fēng)格,
很難用有限標(biāo)準(zhǔn)量化表示)的場景。同時涉及交通法規(guī)等一系列問題。
早年的算法通常采用基于專家知識和規(guī)則的模式為主,由于基于規(guī)則
的系統(tǒng)需要不斷補充新的規(guī)則以實現(xiàn)對各類環(huán)境的良好應(yīng)付,日積月
累代碼量龐大,占用算力資源,且不易維護。因此依靠數(shù)據(jù)驅(qū)動的基
于人工智能的規(guī)控算法日益走向臺前。面對復(fù)雜的外部環(huán)境,人工智
能模型能夠更加平滑的以“類人”的方式對駕駛行為進行處理,泛化能
力強、舒適性好,應(yīng)對復(fù)雜場景的能力大幅提升C
兼顧“安全”和“性能”,神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和基于規(guī)則結(jié)合有望成為一段時期內(nèi)
規(guī)控算法的主流。小鵬汽車自動駕駛負責(zé)人吳新宙曾表示,基于大數(shù)
據(jù)和深度學(xué)習(xí)的算法在規(guī)控領(lǐng)域的滲透會越來越深,預(yù)計未來整個框
架都將基于深度學(xué)習(xí)為基礎(chǔ),但基于規(guī)則的算法也會長期存在,因為
規(guī)控算法的可解釋性很重要?;谏窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)的規(guī)控算法有諸多優(yōu)勢,
但目前如訓(xùn)練過程中數(shù)據(jù)的清洗、一致性;面向一些小場景特定的算
法調(diào)整;可解釋性差等問題仍客觀存在。因此諸多玩家目前仍采用以
人工智能和基于規(guī)則結(jié)合的方式來部署規(guī)控算法,制定一些規(guī)則來對
人工智能產(chǎn)生的行為進行兜底,實現(xiàn)較好的規(guī)控效果,未來隨著人工
智能能力的提升,視控算法人工智能化已經(jīng)成為大勢所趨。交互搜索
+評估模型,特斯拉規(guī)控算法行止有效。在規(guī)控方面,特斯拉采月交
互搜索+評估模型的方式實現(xiàn)舒適、有效以及傳統(tǒng)搜索算法和人工智
能的結(jié)合的算法。具體如下:(1)決策樹生成:首先根據(jù)車道線、
占用網(wǎng)絡(luò)、障礙物等得到候選目標(biāo),生成一些候選目標(biāo);(2)軌跡
規(guī)劃:通過傳統(tǒng)搜索和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方式同步構(gòu)建抵達上述目標(biāo)的軌跡;
(3)交互決策:預(yù)測自車以及場景中其他參與者之間的相互作用,
形成新的軌跡,經(jīng)過多次評估選擇最后軌跡。在軌跡生成階段,特斯
拉采用了基于傳統(tǒng)搜索算法和基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)兩種形式,之后根據(jù)碰撞
檢查、舒適性分析、駕駛員接管可能性和與人的相似程度等對生成的
軌跡打分,決定走哪條路線?;谶@種方式有效的將道路參與者的博
弈考慮在內(nèi),同時完美將基于規(guī)則和基于人工智能結(jié)合,呈現(xiàn)出強大
競爭力。
2.3.2,大模型賦能,車道線預(yù)測等復(fù)雜任務(wù)得以實現(xiàn)
復(fù)雜道路的車道拓普結(jié)構(gòu)識別難度較高。自動駕駛車輛在行駛過程中
需要明確自車的道路情況和車道線拓撲情況,以此來決定如何規(guī)劃自
己的行駛軌跡。但當(dāng)車道線模糊,或者十字路口等場景下,需要算法
自己計算出車道線情況,來指導(dǎo)自身的自動駕駛行為。我們看到一些
玩家針對這樣的場景做出了優(yōu)化,來完美應(yīng)對各類突發(fā)情況,產(chǎn)業(yè)算
法不斷進化和成熟。
特斯拉采用訓(xùn)練語言模型的形式來訓(xùn)練車道線網(wǎng)絡(luò)模型。車道線網(wǎng)絡(luò)
實際上是嫁接在感知網(wǎng)絡(luò)上的一個Transformer的解碼器(Decoder)。
參考自然語言處理任務(wù)中的形式,讓模型用自回歸(綜合上個環(huán)節(jié)的
結(jié)果輸出下個環(huán)節(jié)的內(nèi)容)的方式輸出車道線的預(yù)測結(jié)果。具體而言,
將車道線包含節(jié)點位置、節(jié)點屬性(起點、終點、中間點等)、分叉
點、交叉點等進行編碼,形成類似語言模型中單詞的屬性,輸入
Transformer解碼器中,將信息轉(zhuǎn)化成為“車道線語言”,去生成下個
階段的結(jié)果,進而形成整個路網(wǎng)的車道線的拓撲結(jié)構(gòu)。
理想汽車在理想家庭日上也展示了其用于增強路口性能的算法NPN
神經(jīng)先驗網(wǎng)絡(luò)。為了解決大模型在十字路口不穩(wěn)定的問題,對復(fù)雜路
口,提前進行路口的特征提取和存儲,當(dāng)車輛再次行駛到路口時刻,
將過去提取好的特征和BEV感知大模型粕合,形成更加完美的感知
結(jié)果。
2.4、端到端(感知決策一體化):大模型為自動駕駛徹底實現(xiàn)帶來
希望
2.4.1.回歸自動駕駛第一性原理,端到端自動駕駛成為市場遠期共
識
模塊化的自動駕駛算法設(shè)計存在諸多問題,前述文章中提到的感知、
預(yù)測、規(guī)劃等環(huán)節(jié)的算法稱為模塊化算法設(shè)計,這些方案中每個模塊
獨立負責(zé)單獨的子任務(wù),這種方案具備簡化研發(fā)團隊分工,便于問題
回溯,易于調(diào)試迭代等優(yōu)點。但由于將不同任務(wù)解耦,各個模塊之間
容易產(chǎn)生信息損失問題,且多個模塊間優(yōu)化目標(biāo)不一致,最后模塊間
產(chǎn)生的誤差會在模型中傳遞。端到端自動駕駛解決方案回歸自動駕駛
第一性原理。因此業(yè)界也一直在探索端到端的自動駕駛算法形式,即
設(shè)計一個算法模型,直接輸入傳感器感知的信息,輸出控制結(jié)果C端
到端的自動駕駛算法擁有非常明顯的優(yōu)勢:(1)其遵循了自動駕駛
的第一性原理:即無論感知、規(guī)劃、決策模塊如何設(shè)計,最終是為了
實現(xiàn)更好的自動駕駛效果,因此現(xiàn)有的方法聚焦單獨某個模塊的優(yōu)化,
對整體的效果提升未必有效。(2)端到端的方式可避免極聯(lián)誤差,
去掉冗余信息,提升視覺信息的表達。(3)傳統(tǒng)模塊化的算法中需
要面臨模型之間的多個編解碼環(huán)節(jié),帶來的計算的冗余浪費。(4)
規(guī)則驅(qū)動徹底轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)據(jù)驅(qū)動,理想狀態(tài)下讓汽車自動駕駛模型訓(xùn)練
變得簡潔。
2.4.2.工業(yè)界已經(jīng)開啟探索,邁向完全自動駕駛
目前全球無論學(xué)術(shù)界還是工業(yè)界均對該方案進行了不懈探索。如英偉
達2016年即提出端到端的自動駕駛解決方案,而Uber更多次發(fā)相
關(guān)的論文探索有關(guān)算法。最新的CVPR2023上商湯、OpenDriveLab、
地平線等聯(lián)合發(fā)布的端到端的自動駕駛算法UniAD,獲得了當(dāng)年的最
佳論文。其采用Transformer將感知、決策、規(guī)劃、控制模塊都融入
到一個模型中,端到端的處理自動駕駛問題,能夠呈現(xiàn)出最佳的運行
效果。
目前英國初創(chuàng)公司W(wǎng)ayve亦致力于開發(fā)端到端的自動駕駛系統(tǒng),致
力于讓汽車通過自己的計算機視覺平臺“自己看世界”,同時可以根據(jù)
它所看到的東西做出自己的決定。馬斯克也曾在推特上表示,其
FSDV12版本將是一個端到端的自動駕駛模型。
2.4.3,大模型的思考,自動駕駛或許并非終點
通識知識和強泛化能力助力人類輕松學(xué)會駕駛。人類可以在短時間內(nèi)
學(xué)會駕駛,但機器則需要海量的數(shù)據(jù)和訓(xùn)練??赡艿脑蛟谟谌祟愒?/p>
學(xué)習(xí)駕駛之前就已經(jīng)充分對整個世界有了全面的認(rèn)知,并可以將這些
認(rèn)識泛化到各類場景下。如在學(xué)校附近應(yīng)該減速、遇到老人應(yīng)當(dāng)小心
等,面對形狀怪異的紅綠燈人類幾乎不加思考就可理解其想表達的意
思。通識知識,強泛化能力可以對自動駕駛行為產(chǎn)生重大幫助。GPT
受到市場追捧,也引發(fā)了自動駕駛界對模型構(gòu)建方式的思考。前文提
到的英國公司W(wǎng)ayve亦在嘗試構(gòu)建一個世界模型,通過使用與駕駛
本身無關(guān)的數(shù)據(jù),如一些文本數(shù)據(jù)預(yù)訓(xùn)練模型進而提升模型的駕駛性
能。此外,公司亦在嘗試將自動駕駛模型和自然語言結(jié)合,讓自動駕
駛模型能夠描述自己的行為,進而增強模型的性能和可解釋性。國內(nèi)
毫末智行等也在做出相應(yīng)的嘗試,建立大參數(shù)的模型,并將海量駕駛
場景編碼成語料,投喂給模型進行無監(jiān)督學(xué)習(xí),接著再加入人類反饋
強化學(xué)習(xí)幫助其掌握駕駛員的行為,進而讓模型擁有接近人的自動駕
駛能力。大語言模型的風(fēng)靡也讓市場對自動駕駛模型構(gòu)建的方式有了
新的想象空間,DriveGPT未嘗不是一種可以嘗試的方向。
圖38:GPT帶來了業(yè)界對自動駕駛算法構(gòu)建的新思考
InstructionGPT初隔唉
育?文本!!■
RLHF
■■學(xué)習(xí)
子任imiutkxi
自動偵gLearning1
魂郅&洎動駕駛的曬范式
世界模型浮上水面,面向通用場景,解決通用問題。在最新的
CVPR2023會議上,特斯拉提出了世界模型,即構(gòu)建一個模型,可
觀察所有需要觀察的事物,并將其轉(zhuǎn)化為向量空間,鏈接各類豐富的
下游任務(wù)。該模型不止用于汽車,還可用于機器人等等嵌入式人工智
能場景。通過該模型可預(yù)測未來、構(gòu)建仿真場景,通過語言提示,讓
它生成各類場景如直行、向右變道等。
2.5、數(shù)據(jù)端:大模型推動數(shù)據(jù)閉環(huán)和仿真落地
神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)只決定了算法的上限,而是否能讓神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)揮其效能,數(shù)
據(jù)起到了決定性的作用,因此如何尋找純凈且多樣化的海量數(shù)據(jù)集相
比算法而言同等重要。
2.5.1>數(shù)據(jù)閉環(huán):自動化運行,降本增效推升規(guī)模是關(guān)鍵
完整的數(shù)據(jù)閉環(huán)系統(tǒng),通經(jīng)常包含數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)挖掘、數(shù)據(jù)標(biāo)注、
模型訓(xùn)練等環(huán)節(jié)。其對自動駕駛功能實現(xiàn)的重要性不言而喻,但當(dāng)前
自動駕駛車型傳感器越來越高端,據(jù)dSPACE的數(shù)據(jù),若采用4k800
萬像素的攝像頭,每秒產(chǎn)生的數(shù)據(jù)將達到3GB,疊加激光雷達毫米
波雷達等傳感器,整車每秒將產(chǎn)生的40G數(shù)據(jù),每小時產(chǎn)生19Tb
數(shù)據(jù),對整車廠的數(shù)據(jù)處理能力提出考驗。
數(shù)據(jù)采集:通常自動駕駛算法會采取一定的觸發(fā)(Trigger)機制來
開啟數(shù)據(jù)上傳。如出現(xiàn)人類駕駛和自動駕駛不一致的情況,或不同傳
感器之間一致性不同的情況,或者不同算法出現(xiàn)沖突,以及某些指定
的特殊場景如近距離跟車、加塞、光照急劇變化、陰影車道線等等。
特斯拉在2022AIDAY上表示其擁有221種觸發(fā)器。數(shù)據(jù)清洗/挖掘:
數(shù)據(jù)清洗和挖掘?qū)嶋H上是數(shù)據(jù)處理的過程:通常采集的數(shù)據(jù)包含大量
的無用數(shù)據(jù),這里需要算法將訓(xùn)練模型所需要的數(shù)據(jù)提取出來,以實
現(xiàn)有效的數(shù)據(jù)收集,同時修正部分錯誤數(shù)據(jù)。這其中對于數(shù)據(jù)處理的
“內(nèi)功”要求深厚。數(shù)據(jù)標(biāo)注:挖掘到有價值的數(shù)據(jù)后,需要采用人工
標(biāo)注或自動標(biāo)注的方式,疊加部分仿真數(shù)據(jù),形成數(shù)據(jù)集來實現(xiàn)對算
法的訓(xùn)練和迭代。這其中涉及2D標(biāo)注、3D標(biāo)注、車道線標(biāo)注、語
義分割等,工作量大,同時影響著車企自動駕駛算法的迭代,是數(shù)據(jù)
閉環(huán)中的重中之重。
數(shù)據(jù)閉環(huán)收益顯著但成本不可忽視,降本增效是關(guān)鍵。數(shù)據(jù)標(biāo)注方面,
據(jù)特斯拉AIDAY描述公司曾經(jīng)組建了超過千人的團隊,早期通過人
工在2D圖片上進行精細標(biāo)注,但效率低下;后改進為在向量空間完
成標(biāo)注,再通過投影投射到8個攝像機里面,效率大幅提升;再之后
特斯拉即建立了自動標(biāo)注系統(tǒng),通過離線大模型實現(xiàn)自動標(biāo)注,大幅
提升標(biāo)注效率。此外特斯拉通過多車輛聯(lián)合優(yōu)化等方式來提升標(biāo)注的
精確度,起到了良好的效果。行業(yè)其他玩家亦開發(fā)自動標(biāo)注工具以降
本增效,據(jù)小鵬汽車描述,采用自動化標(biāo)注工具后,公司能夠在17
天內(nèi)完成原本需要200個人年才能完成的標(biāo)注任務(wù)。數(shù)據(jù)閉環(huán)方面,
特斯拉、小鵬、理想汽車均提到了各自的自動化數(shù)據(jù)閉環(huán)體系,能夠
全自動完成數(shù)據(jù)的采集、挖掘、標(biāo)注、存儲等環(huán)節(jié),大大提升模型的
訓(xùn)練和迭代效率。
2.5.2.仿真:從提升效率到不可或缺
仿真是自動駕駛系統(tǒng)構(gòu)建不可或缺的環(huán)節(jié)。將數(shù)據(jù)采集過程中的實車
數(shù)據(jù)經(jīng)過聚類、場景提取、泛化與篩選,構(gòu)筑用于測試的虛擬世界,
自動駕駛算法控制車輛,與虛擬世界產(chǎn)生交互,并將交互結(jié)果輸出,
在自動駕駛領(lǐng)域優(yōu)勢明顯:(1)當(dāng)數(shù)據(jù)極端難以獲取的時候,仿真
可以生成大量的場景供模型訓(xùn)練;(2)天然帶有標(biāo)注信息。當(dāng)數(shù)據(jù)
難以標(biāo)注的時候,如幾百萬人過馬路,標(biāo)注成本極高且效率低下容易
產(chǎn)生錯誤,但仿真場景下不存在上述難點;(3)仿真可以給規(guī)控算
法以安全的實驗環(huán)境;(4)仿真的價格低廉,效率高。理論上完美
的仿真能夠取代實車測試,進而以較低成本達到安全測試效果,縮短
自動駕駛算法研發(fā)周期,是自動駕駛開發(fā)迭代的重要環(huán)節(jié)。
不同的算法對仿真環(huán)境的構(gòu)建提出不同要求。通常自動駕駛核心算法
包括感知算法、決策規(guī)劃算法、控制算法三大環(huán)節(jié),其中感知算法仿
真需要高還原度的三維重建場景和精準(zhǔn)的傳感器模型;決策規(guī)劃算法
仿真需要大量的場景庫為支撐;控制算法需要引入精準(zhǔn)的車輛動力學(xué)
模型。虛擬場景構(gòu)建方面,通常需要模擬出與真實世界一致的靜態(tài)、
動態(tài)交通運行場景。靜態(tài)場景通常包含道路、車道線、減速帶、交通
標(biāo)志、路燈、車站、周圍建筑等等,通常使用高精度地圖和二維重建
技術(shù)構(gòu)建(通常需要回執(zhí)高精度地圖并進行三維建模);動態(tài)場景包
含動態(tài)指示設(shè)施、機動車行為、非機動車行為、行人行為、通信環(huán)境、
氣象變化、時間變化等。感知系統(tǒng)仿真方面,包含攝像頭仿真(生成
逼真的圖像并添加色彩和光學(xué)屬性等通常采用游戲引擎來構(gòu)建,如百
度阿波羅采用Unity3D、騰訊TADSim引入了虛幻引擎)、毫米波雷
達仿真、激光雷達仿真。車輛動力學(xué)仿真方面,通?;诙囿w動力學(xué)
搭建模型,其中包含車體、懸架系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、制動系統(tǒng)、動力系
統(tǒng)、傳動系統(tǒng)等多個真實部件的車輛模型。
對仿真工具而言,其能夠覆蓋的場景范圍越大,自動駕駛可行駛邊界
就越廣泛。因此評價自動駕駛算法最重要的標(biāo)準(zhǔn)就是測試其是否能夠
處理足夠多的場景摩。通常仿真模型會以真實采集的數(shù)據(jù)、模擬數(shù)據(jù)、
以及根據(jù)真實場景合成的仿真數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)源,對場景的幾何形狀、物
理運動規(guī)律、以及場景中各個元素如車流、行人等符合邏輯規(guī)律,以
實現(xiàn)更好的仿真效果。
自動駕駛仿真平臺市場競爭激烈,促使平臺仿真性能提升。自駕仿真
平臺布局主體眾多,可以劃分為科技公司、自駕解決方案商、仿真軟
件企業(yè)、車企、高校及科研機構(gòu)五大類??萍脊緭碛写髷?shù)據(jù)優(yōu)勢,
軟件開發(fā)經(jīng)驗豐富;自駕解決方案商多針對自研發(fā)需要,較少對外提
供仿真服務(wù);不同仿真軟件企業(yè)經(jīng)驗積累程度不同,傳統(tǒng)企業(yè)積累深
厚,初創(chuàng)企業(yè)積累薄弱;車企能夠?qū)⒙窚y和仿真測試同步結(jié)合,但限
于自身軟件開發(fā)能力,多與外部仿真平臺提供商合作進行自動駕駛汽
車開發(fā);高校及科研機構(gòu)主要對自駕仿真軟件進行前瞻、基礎(chǔ)性研究。
自駕仿真平臺參與者眾,市場競爭激烈,具備更快迭代速度、更強仿
真能力、更完善服務(wù)支持的仿真平臺將快速成長。
DRIVESim:Nvidia自動駕駛研發(fā)生態(tài)體系重要一環(huán)。DRIVESim是
由英偉達開發(fā)的端到端仿真平臺,能夠進行大規(guī)模多傳感器仿真。
DRIVESim功能強大,能夠提供核心模擬和渲染引擎,生成逼真的數(shù)
據(jù)流,創(chuàng)建各種測試環(huán)境,模擬暴雨和暴雪等各種天氣條件,以及不
同的路面和地形,還可以模擬白天不同時間的眩目強光以及晚上有限
的視野,達到“照片級逼真且物理精確”的傳感器仿真。
DRIVESim具有完善的工具鏈支持,融入英偉達自動駕駛開發(fā)生態(tài)。
DRIVESim可以在Omniverse云平臺上運行,也可以在OVX服務(wù)器
組成的本地數(shù)據(jù)中心甚至單顆RTX3090上運行。DRIVESim具有開
放式、模組化分特點,擁有良好的可拓展性:(1)支持神經(jīng)重建引
擎(NER),該AI工具可以將真實世界的數(shù)據(jù)直接帶入仿真中,開
發(fā)者可在仿真環(huán)境中修改場景、添加合成對象,并應(yīng)用隨機化技術(shù),
大大增加真實感并加快生產(chǎn)速度。(2)使用NVIDIAOmniverseKit
SDK,DRIVESim允許開發(fā)人員構(gòu)建自定義模型、3D內(nèi)容和驗證工
具,或與其他模擬進行交互。(3)支持DRIVEReplicator生成與合
成傳感器數(shù)據(jù)對應(yīng)的真值數(shù)據(jù),用于訓(xùn)練芻動駕駛汽車DNNo
DRIVESim已融入英偉達完整的軟硬協(xié)同生態(tài),支持從概念到部署的
自動駕駛汽車開發(fā)及驗證。
51Sim-0ne:本土仿真系統(tǒng)助力中國自動駕駛量產(chǎn)落地。Sim-One
是51World全棧自研的云原生仿真平臺。(1)場景方面,Sim-One
具有豐富的場景生成方式,特別是能基于語義泛化工具鏈能夠?qū)崿F(xiàn)場
景的快速定義;與第三方場景庫達成合作,擴充場景數(shù)量,提高仿真
測試質(zhì)量。(2)平臺方面,Sim-One具有豐富的功能,包括靜態(tài)和
動態(tài)數(shù)據(jù)導(dǎo)入、測試場景案例編輯、各類仿真、測試與回放、虛擬數(shù)
據(jù)集生成以及各類在環(huán)測試;Sim-One基于原生云架構(gòu)仿真平臺,
支持大規(guī)模并發(fā)仿真技術(shù),日測試?yán)锍炭蛇_十萬公里。(3)評價方
面,Sim-One具備豐富的指標(biāo)庫可供用戶自行選擇進行評價,涵蓋
安全性、違規(guī)性、舒適性、高效性、經(jīng)濟能耗性、控制準(zhǔn)確性等多個
維度,并且支持多場景并發(fā)評價。
Al應(yīng)用于仿真系統(tǒng),能夠有效輔助自動駕駛系統(tǒng)升級。(1)在場景
庫構(gòu)建方面,從傳感器數(shù)據(jù)中利用AI進行自動化、大規(guī)模三維重建,
構(gòu)建現(xiàn)實世界對象和背景的幾何形狀、外觀和材料屬性;使用大量路
采數(shù)據(jù)訓(xùn)練AgentAI,使之模仿道路場景口的主體,賦予虛擬場景強
交互性;利用已有場景庫與生成式AI,自動生成無需標(biāo)注的各種交
通場景數(shù)據(jù)。(2)在車輛仿真測試過程中,使用AI識別自動駕駛系
統(tǒng)的弱點,并自動創(chuàng)建對抗性場景,同時芻駕系統(tǒng)使用AI算法自動
從錯誤中學(xué)習(xí),自動迭代更新,無需密集手動調(diào)整算法,適應(yīng)更快節(jié)
奏、更大規(guī)模的訓(xùn)練。AI能使仿真系統(tǒng)更有針對性,使自動駕駛算
法調(diào)整自動化,加速自駕技術(shù)在現(xiàn)實世界落地。
3、自動駕駛算法變革引領(lǐng)產(chǎn)業(yè)鏈變化
3.1.兵馬未動糧草先行,云端算力軍備競賽開啟
對自動駕駛而言,大量的數(shù)據(jù)處理、訓(xùn)練、自動標(biāo)注、仿真等工作需
要完成,算力成為車企打造自動駕駛能力的核心,決定著車企的算法
迭代效率和上限。特斯拉表示其總算力在2024年將沖刺100EFIops,
而國內(nèi)領(lǐng)先玩家亦不遑多讓,紛紛構(gòu)建自有的數(shù)據(jù)中心,自動駕駛的
算力軍備競賽從車端蔓延到云端。
3.1.1、特斯拉自研算力平臺Dojo,2024年沖刺100EFIops算力
特斯拉在應(yīng)對海量訓(xùn)練和仿真需求時構(gòu)建了龐大的算力體系。據(jù)特斯
拉在2021年AIDAY介紹,特斯拉為了移除自動駕駛系統(tǒng)對毫米波
雷達的依賴,從250萬個視頻剪輯中生成了超過100億個標(biāo)簽,需
要龐大的離線神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和引擎。而硬件方面,特斯拉在2021年AIDAY
期間就擁有接近1萬塊GPU,2022年AIDAY上這一數(shù)字提升到1.4
萬片,其中約50%的負載用來實現(xiàn)云端自動標(biāo)注和車載占用網(wǎng)絡(luò)的
訓(xùn)練。
自研D1芯片和Doj。超級計算機布局算力。為了進一步提升算力水
平,2021年起特斯拉開始自研D1人工智能芯片和Dojo超級計算機。
將25顆自研的D1芯片封裝成Dojo訓(xùn)練模塊,再將120個訓(xùn)練模塊
結(jié)合Dojo接口處理器等組件融合形成Dojo主機,目前10機柜的
DojoExaPOD超級計算機將擁有1.1EFlops算力,并且擁有強擴展
能力,借助特斯拉強大的軟件能力,將有效提升其在算法領(lǐng)域的迭代
速率。
圖60:掙斯拉算力需求將迎來快速增長
TrainedOnExtremely
LargeCompute
InUnitsOfA100GPU8TotalAmountOfTeslaCompute
400,000
300,000
200,000
100,000
0
而據(jù)特斯拉Al官方賬號顯示,特斯拉將
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