[首發(fā)于智駕最前沿微信公眾號]自動駕駛技術的發(fā)展，催生出端到端技術的應用，一段式端到端（end-to-end single-stage）作為端到端技術的一種實現(xiàn)方式，指的是用一個學習模型把傳感器輸入（比如攝像頭圖像、激光雷達點云、慣導數(shù)據(jù)等）直接映射到車輛控制指令（例如轉向角、油門、制動）。換句話說，一段式端到端中間不再把感知、定位、預測、規(guī)劃、控制拆成很多獨立模塊再逐個對接，而是讓一個神經(jīng)網(wǎng)絡或一套緊密耦合的學習組件，從感知到?jīng)Q策一次性輸出動作序列。實現(xiàn)的手段可以是監(jiān)督學習（模仿人類駕駛員）、強化學習、或者二者結合的混合策略。一段式端到端中的“一段式”強調的是過程鏈條被盡可能壓縮成連續(xù)可微的映射，而不是經(jīng)典的“多段式”分模塊流水線。

一段式端到端這并不意味著沒有任何結構或中間表征?，F(xiàn)實中的端到端系統(tǒng)往往仍然會在網(wǎng)絡內部學習出語義、車道、障礙物等中間表示，或者由分支去估計不同行為目標。但整體來看，外部接口是輸入到輸出的直接關系，系統(tǒng)設計更偏向整體優(yōu)化而非局部最優(yōu)化。

一段式端到端的優(yōu)勢在哪里？

端到端之所以被很多廠家應用到自動駕駛中，主要是因為其簡潔。傳統(tǒng)的自動駕駛系統(tǒng)把感知、定位、預測、規(guī)劃和控制拆開來，各自需要大量實際測試、手工規(guī)則和接口設計，模塊之間接口錯配、誤差傳遞和瓶頸定位都會導致一系列的麻煩。端到端把“可學習”的部分盡量合并，允許整個系統(tǒng)通過一個統(tǒng)一的訓練目標來協(xié)調內部表示和動作，從理論上有助于學到對最終任務更有利的特征。簡而言之，一些在分段系統(tǒng)里被丟失或難以傳遞的上下文信息，端到端模型可以直接利用。

端到端在一些復雜的感知-決策耦合場景里表現(xiàn)出極大的潛力。比如在人多車雜的城市環(huán)境，規(guī)則和罕見場景交織，手工工程很難窮舉所有要點；而大規(guī)模數(shù)據(jù)驅動的端到端方法有機會從大量示例中捕捉到細微的決策模式，從而給出更順滑、行為更人性化的控制策略。端到端也讓閉環(huán)優(yōu)化成為可能，用最終控制目標（比如舒適度、安全距離、到達時間等）來直接優(yōu)化整個網(wǎng)絡，能把損失函數(shù)聚焦在實際用戶關心的度量上，而不是在每個中間模塊上分散優(yōu)化。

端到端模型在推理階段可能會更省時。如果把所有模塊合并成一個高效網(wǎng)絡，減少序列化的數(shù)據(jù)傳輸和接口轉換，系統(tǒng)整體延遲可以降低，這對高速決策場景有好處。當然，這要求網(wǎng)絡設計與實現(xiàn)非常高效。

一段式端到端實現(xiàn)難點在哪里？

數(shù)據(jù)量與長尾問題是端到端需要面對的首要難題。要讓模型學會安全駕駛，尤其是在極端和罕見場景（比如復雜交叉口、惡劣天氣、突發(fā)行為）中給出正確反應，需要海量且高度多樣的數(shù)據(jù)。僅靠常規(guī)道路駕駛錄像往往無法覆蓋長尾。因此需要結合高保真仿真、數(shù)據(jù)增強、場景合成和刻意采集罕見事件的策略。仿真可以快速生成危險場景的訓練樣本，但仿真到現(xiàn)實（sim-to-real）的差距需要通過域隨機化、風格遷移或混合真實+合成數(shù)據(jù)來縮小。

監(jiān)督學習下的行為克隆容易出現(xiàn)“狀態(tài)分布偏移”問題，也就是模型在訓練時見到的是人類在良好軌跡上的輸入分布，而在閉環(huán)應用中模型自己的小偏差會導致狀態(tài)進入訓練集未覆蓋的區(qū)域，從而級聯(lián)出更多錯誤。針對這個問題可以使用數(shù)據(jù)聚合（例如DAgger），即在系統(tǒng)運行時收集模型造成的分布并用專家數(shù)據(jù)修正；強化學習也常被用來讓模型通過自我試錯來學習恢復策略，不過強化學習在現(xiàn)實世界直接試錯存在巨大風險，因此在仿真或受控環(huán)境中應用，或結合現(xiàn)實示范進行離線強化學習。

可解釋性與可驗證性是端到端技術產(chǎn)業(yè)化的一大難點。端到端網(wǎng)絡內的決策路徑難以用傳統(tǒng)工程方式證明其是否滿足安全約束。監(jiān)管和車廠都需要某種程度的可解釋證據(jù)以支持上線與召回。為此，常采取混合方案來實現(xiàn)自動駕駛，在關鍵安全層引入傳統(tǒng)確定性控制器或基于規(guī)則的監(jiān)控器，網(wǎng)絡輸出作為建議而非唯一執(zhí)行依據(jù)；或者設計可解釋的中間任務（比如同時回歸車輛到車道邊界距離、檢測行人意圖等），以增加透明度。此外，不同模型的不確定性估計（例如模型集合、貝葉斯近似或溫度標定）也被用來在運行時觸發(fā)安全退化策略。

訓練目標與行為魯棒性的錯配也是端到端經(jīng)常會遇到的問題。簡單的模仿?lián)p失（最小化動作差異）并不等價于駕駛性能最優(yōu)（例如安全和舒適）。因此會采用復合損失設計，把安全約束、乘員舒適度、交通規(guī)則遵守等指標納入訓練目標，或者在訓練時引入規(guī)劃器/控制器作為教師提供更合適的目標信號。

感知與多模態(tài)融合在端到端里并未消失，反而轉移到網(wǎng)絡內部。如何高效融合相機、雷達、激光雷達、定位與地圖信息，既保證信息冗余以防單傳感器失效，又能被網(wǎng)絡利用到關鍵決策點，是系統(tǒng)設計時需要考慮的問題。常用做法是在網(wǎng)絡架構設計上保留專門的傳感器分支、跨模態(tài)注意力機制，以及顯式的時間序列結構（RNN、Transformer或時序卷積）來建模動態(tài)變化。

閉環(huán)控制的穩(wěn)定性與物理約束也很關鍵。端到端輸出直接驅動車輛執(zhí)行，模型必須對物理約束（最大轉角、加速度限制、輪胎極限等）有內在遵守，或由下層控制器做硬約束。很多系統(tǒng)采取“學習+傳統(tǒng)控制”的混合策略，把端到端網(wǎng)絡負責產(chǎn)生參考軌跡或高層控制目標，而交由MPC或PID層做實際執(zhí)行與物理約束滿足。還有研究嘗試把MPC融入可微學習框架，實現(xiàn)可微規(guī)劃層，從而保留端到端訓練能力又不失物理約束。

對于端到端來說，訓練樣本的標注方式也非常有挑戰(zhàn)。若采用行為克隆，需要高質量的動作標簽；若采用基于意圖或軌跡的監(jiān)督，標簽空間更大但語義更豐富；若采用強化學習，需要精心設計獎賞函數(shù)以避免“走捷徑”的風險。離線強化學習在近年受關注，但對數(shù)據(jù)覆蓋與分布外泛化的要求極高。

還有就是測試與驗證。端到端系統(tǒng)的測試不能僅依賴大量道路里程數(shù)來證明安全，因為統(tǒng)計上覆蓋長尾所需里程過于龐大。場景化測試、基于風險的場景優(yōu)先生成、閉環(huán)仿真驗真、形式化安全驗證和基于規(guī)則的運行時監(jiān)測共同構成較為現(xiàn)實的測試策略。換言之，端到端并不意味著放棄工程驗證，而是需要更豐富、面向場景的驗證框架。

實際部署的考量與未來方向

對于自動駕駛行業(yè)來說，一段式端到端更像是長期有前景但短期受限的路線。它在研究和受控環(huán)境（比如封閉園區(qū)、限定路況的測試車隊或部分高級別自動化功能）里表現(xiàn)搶眼，能以較少的規(guī)則和工程工作實現(xiàn)流暢行為。但要在開放道路、復雜法規(guī)和多變場景下大規(guī)模部署，仍需解決前面提到的數(shù)據(jù)覆蓋、可驗證性和魯棒性問題。

未來可行的方向是采用“分層端到端”或“端到端+保障”的混合方案。低層的縱橫控制與物理約束交給傳統(tǒng)可信控制器，中高層用端到端網(wǎng)絡生成參考動作或策略建議，此外并行運行基于規(guī)則的監(jiān)測單元在檢測到高不確定性時接管或觸發(fā)更保守的策略。這樣既保留了端到端帶來的學習潛力，也確保了必要的安全和可控性。

更高保真仿真平臺+自動化場景生成也可以緩解長尾采集問題；離線強化學習和逆強化學習有望提供更合適的目標信號而不是簡單模仿；可解釋性和不確定性估計技術（例如可解釋注意力、因果表示學習、預測不確定性量化）會改善監(jiān)管和運行時監(jiān)控的可接受性；可微規(guī)劃與學習控制的融合能把物理約束引入訓練過程，從而提高閉環(huán)穩(wěn)定性。

最后的話

一段式端到端對于自動駕駛來說并不是萬能藥，但它代表了用數(shù)據(jù)和學習把復雜行為直接“學會”的一種思路。對于某些應用場景，這種方法能顯著降低手工規(guī)則和接口的工程成本，帶來更自然的行為和更優(yōu)的整體目標表現(xiàn)。但在面向高安全等級的商業(yè)化部署時，端到端需要與工程化的保障手段、形式化驗證與豐富的數(shù)據(jù)策略結合，才能既享受學習方法的優(yōu)點，又滿足現(xiàn)實世界對安全與可靠性的嚴格要求。