Mosaic: An Extensible Framework for Composing Rule-Based and Learned Motion Planners

1. بيان المشكلة

تواجه تخطيط الحركة في القيادة الذاتية مقايضة جوهرية بين القابلية للتفسير/السلامة والقدرة على التكيف:

• المخططات القائمة على القواعد (مثل PDM-Closed) توفر سلوكاً يمكن التنبؤ به، وشفافاً، وقابلاً للتحقق، ولكنها غالباً ما تعاني أمام التعقيد، وعدم اليقين، والطبيعة غير المنظمة لحركة المرور في العالم الحقيقي.
• المخططات القائمة على التعلم (مثل FlowDrive) تُظهر قدرة قوية على التكيف والتعميم في سيناريوهات متنوعة، لكنها تعاني من اتخاذ قرارات "الصندوق الأسود"، وانخفاض الشفافية، والانتهاكات العرضية للسلامة.
• النهج الهجينة الحالية غالباً ما تجمع بين هذين النموذجين عبر معالجة لاحقة غير منظمة أو منطق غير موحد، مما يفتقر إلى آلية مهيكلة للتحكيم بينهما، أو التحقق من السلامة بشكل مركزي، أو تفسير القرار النهائي.

التحدي الجوهري هو إنشاء إطار عمل موحد يستفيد من نقاط القوة في كلا النموذجين مع ضمان السلامة، وإمكانية التتبع، والقابلية للتفسير دون الحاجة إلى إعادة تدريب النماذج الأساسية.

2. المنهجية: إطار عمل Mosaic

يقترح المؤلفون Mosaic، وهو إطار عمل قابل للتوسيع يعتمد على رسوم التحكيم البيانية (Arbitration Graphs - AGs). يقوم هذا الإطار بفصل توليد المسار عن عملية التحقق والتنقيط (Scoring)، وهيكلة عملية اتخاذ القرار في رسم بياني هرمي.

أ. مكونات البنية

يدمج إطار العمل مخططين متكاملين كـ "مكونات سلوكية" داخل الرسم البياني للتحكيم:

1. FlowDrive*: مخطط قائم على التعلم يستخدم تقنية (rectified flow-matching) مع توجيه معتدل لضمان تنوع المناورات.
2. PDM-Closed: مخطط قائم على القواعد يوسع نموذج السائق الذكي (IDM) باستخدام التحكم التنبئي بالنماذج، حيث يولد مقترحات مسارات متعددة بناءً على اختيار المسار والسرعات المستهدفة.
3. التوقف الطارئ (Emergency Stop): سلوك احتياطي حتمي (تباطؤ في خط مستقيم) يعمل كطبقة السلامة القصوى.

ب. آلية التحكيم

يتضمن تدفق القرار ثلاث مراحل رئيسية:

1. التحقق المركزي (طبقة السلامة):

   • على عكس المخططات الفردية التي تتحقق من السلامة داخلياً، ينقل Mosaic عملية التحقق إلى المُركّب (Composer) (وهو محكم التكلفة).
   • قبل تنقيط أي مسار، يخضع لفحص تحقق خاص بالمجال (على سبيل المثال، التنبؤ بالاصطدامات الناتجة عن الخطأ خلال 2.0 ثانية).
   • التكرار (Redundancy): إذا اقترح أحد المخططات مساراً غير آمن، يتم رفضه، ولكن المقترح الصالح للمخطط الآخر يظل قيد الاعتبار. لا يتم تفعيل الكبح الطارئ إلا إذا فشل كلا المخططين في التحقق من السلامة في آن واحد.

2. التنقيط الموحد (محكم التكلفة):

   • يتم تنقيط المسارات الصالحة باستخدام دالة مستمرة مستوحاة من مقاييس nuPlan، مما يستبدل نظام النجاح/الفشل الثنائي بنتيجة تتراوح بين [0، 1].
   • التقييم الإجمالي ($S_{total}$) هو مزيج ضربي من:
     • بوابة السلامة: درجة الاصطدام ($S_{coll}$)، المنطقة القابلة للقيادة ($S_{driv}$)، واتجاه القيادة ($S_{dir}$). إذا كانت أي من مقاييس السلامة صفراً، تنهار النتيجة الإجمالية إلى صفر.
     • بوابة التقدم: تعاقب المسارات التي تتوقف عن الحركة.
     • درجة الأداء: متوسط مرجح للتقدم، والوقت حتى التصادم (TTC)، والراحة.

3. تحكيم الأولويات (العقدة الجذرية):

   • يختار المحكم الرئيسي (Mosaic) المسار النهائي.
   • يعطي الأولوية لأفضل مسار صالح من المُركّب (Composer).
   • إذا لم ينتج المُركّب أي مسار صالح (فشل كلا المخططين)، فإنه يلجأ إلى سلوك التوقف الطارئ.

3. المساهمات الرئيسية

1. إطار عمل AG قابل للتوسيع: يقدم Mosaic، وهو آلية هيكلية لاتخاذ القرار يمكنها دمج أي خوارزمية تخطيط (سواء كانت قائمة على القواعد، أو التعلم، أو هجينة) دون إعادة تدريب.
2. فصل التحقق والتنقيط: يفصل بين توليد المسار وبين فحوصات السلامة والتنقيط. وهذا يجعل كل قرار بالرفض شفافاً وقابلاً للتتبع، مما يسمح للنظام بتفسير سبب رفض مخطط معين.
3. تكرار السلامة: من خلال مركزية التحقق، يقلل الإطار من الاصطدامات بشكل كبير. فهو يستغل نقاط القوة المتكاملة للمخططات؛ فإذا فشل أحدهما، ينجح الآخر غالباً، مما يقلل من الحاجة إلى التوقف الطارئ.
4. أداء رائد (State-of-the-Art): يحقق معايير قياسية جديدة في nuPlan و interPlan.

4. النتائج التجريبية

تم تقييم إطار العمل على معايير nuPlan (تقسيم Val14) و interPlan.

• معايير nuPlan ذات الحلقة المغلقة (Val14):

  • CLS-NR (غير التفاعلي): 95.48 (رقم قياسي جديد).
  • CLS-R (التفاعلي): 93.98 (رقم قياسي جديد).
  • تقليل الاصطدامات: قلل من الاصطدامات الناتجة عن الخطأ بنسبة 30% مقارنة بكل مخطط بمفرده (14 اصطداماً مقابل 18 لـ FlowDrive* و 17 لـ PDM-Closed).
  • تقليل الدرجة الصفرية: قلل السيناريوهات ذات الدرجة الإجمالية الصفرية بنسبة 33%.

• معيار interPlan (سيناريوهات عالية التفاعل):

  • درجة CLS-R: 54.30.
  • التحسن: تفوق على أفضل مخطط مكون له (FlowDrive*) بنسبة 23.3% وعلى PDM-Closed بنسبة 31.7%.

• دراسات الاستئصال (Ablation Studies):

  • أدى إزالة وحدة التحقق إلى مضاعفة الاصطدامات (من 14 إلى 35)، مما يثبت دورها الحاسم في السلامة.
  • اختار محكم التكلفة FlowDrive* بنسبة 18.7%، و PDM-Closed بنسبة 28.8%، واختار بناءً على عامل الفصل (الذي يفضل المخطط القائم على التعلم) بنسبة 52.5%، مما يوضح الاستخدام الفعال لنقاط القوة المتكاملة.
  • تم تفعيل الكبح الطارئ في 0.08% فقط من الخطوات الزمنية، مما يؤكد أن التكرار بين المخططات يمنع التدخلات غير الضرورية بفعالية.

• الأعباء الحسابية:

  • يضيف إطار عمل Mosaic الكامل حوالي 13% فقط من وقت التشغيل (wall-clock time) مقارنة بـ FlowDrive* وحده.
  • بما أن FlowDrive* يعمل على وحدة معالجة الرسومات (GPU) وPDM-Closed/منطق التحكيم يعمل على وحدة المعالجة المركزية (CPU)، فيمكن تنفيذهما بالتوازي، مما قد يقلل زمن التأخير إلى الصفر تقريباً.

5. الأهمية

يمثل إطار عمل Mosaic خطوة كبيرة للأمام في مجال القيادة الذاتية من خلال حل معضلة "السلامة مقابل القدرة على التكيف" عبر التكامل الهيكلي بدلاً من الهجنة العشوائية.

• القابلية للتفسير: يوفر مسار تدقيق واضح لكل قرار، وهو أمر ضروري للموافقة التنظيمية وثقة الجمهور.
• القابلية للتوسع: إطار العمل مستقل عن نوع المخطط، مما يعني أنه يمكنه بسهء دمج التطورات المستقبلية في أي من التخطيط القائم على القواعد أو التعلم دون تغييرات في البنية.
• ضمان السلامة: من خلال معاملة التحقق من السلامة كطبقة متميزة ومركزية، فإنه يضمن تصفية المقترحات غير الآمنة قبل الاختيار، مما يخلق شبكة سلامة قوية تتفوق على المخططات المنعزلة.

باختصار، يثبت Mosaic أن الجمع بين المخططات غير المتجانسة عبر رسوم التحكيم البيانية ينتج نظاماً أكثر أماناً، وأكثر قوة، وأكثر قابلية للتفسير مما لو تم استخدام كل منها على حدة، مما يضع معياراً جديداً لتخطيط الحركة في بيئات المرور المعقدة.