NDS背景簡介
當今時代，說起汽車，人們自然會提到智能駕駛，而說起智能駕駛，人們則自然會提到高精地圖。高精地圖是離我們這麼近又那麼遠的一個概念。說起高精地圖，相信即使是行外人士，也不會完全不知道它是什麼意思，畢竟我們手機上的地圖APP通常都不止一個，大家用起來都十分利索。
實際上高精地圖的發展與智能網聯汽車密切相關。相對于以往的導航地圖，高精地圖是智能駕駛汽車規劃道路行駛路徑的重要基礎，能為車輛提供定位、決策和交通動态資訊等依據。另一方面，高精地圖也能為智能駕駛汽車上的傳感器補位，增強超視距的感覺，提高系統安全性。當功能豐富、使用場景多樣的高精地圖需要落實到汽車上下遊産業鍊，并适應日益提速疊代的汽車及其應用開發周期，就對制定通用的地圖示準提出了需求。而今天我們要探讨的NDS就是其中最常用的導航地圖資料标準。
NDS的全稱是Navigation Data Standard，亦即導航資料标準，由NDS組織制定及維護。NDS格式是高精地圖的常用格式，也是國際OEM的普遍選擇。NDS可以用于移動應用程式、互聯汽車雲解決方案和自動駕駛。
圖1：NDS的口号 （來源：NDS組織官網）
每每談論到标準，我們都容易想起行業圈子，因為标準組織内有哪些玩家往往能展現标準分量。而從行業背景來看，NDS是為汽車行業服務的，由汽車行業負責。具體的協會成員直接看下圖，囊括中外，我們耳熟能詳的OEM、Tier1和圖商都位列其中。
圖2：NDS協會成員
NDS.Classic和NDS.Live
這些年汽車的發展異常迅速，越來越多的車輛配備了聯網功能，車雲協作越來越主流，與車輛地圖相關的APP應用也是層出不窮。這就對地圖資料格式提出了新的要求。為了應對這種趨勢，NDS自身也在蛻變和革命。在2019年NDS正式對外公布了其新一代的導航資料格式NDS.Live，并把之前的NDS命名為NDS.Classic以示區分。
圖3：2019年NDS在公開會議上正式提出了下一代資料格式NDS.Live
NDS.Classic
目前量産車上用的NDS資料格式大部分都是NDS.Classic，它已經在30多個不同品牌的數百萬輛汽車上部署，用于導航、ADAS和自動駕駛等，有着良好的記錄。它本質上是為嵌入式裝置使用而設計的。之前很長一段時間，導航地圖資料都是存儲在資料載體（DVD、USB、HDD、SD卡）上，而且對應的資料隻會在車上用。相信有資曆的車友都能想起以前手動更新一版導航地圖是如何大費周章。基于此，NDS.Classic的存儲格式實質上是資料庫類型的。它作為一個嵌入式資料庫，可以漸進式更新。當然随着技術發展，NDS.Classic後來也支援OTA。
舉個例子，下圖就是一個應用NDS導航系統的系統示意圖。虛線左邊是NDS規範的主體内容，通過編譯器将原始的地圖輸入生成滿足NDS規範的資料庫（一般以SQL檔案格式存儲），然後資料庫提供操作接口給不同的業務應用，例如地圖顯示、地位和路徑規劃等應用。
圖4：NDS格式資料庫及其接口示意圖
NDS.Classic是一個基于瓦片（Tile-based）的組織結構，支援瓦片級的更新。瓦片可以了解為地球面上的一個四邊形。我們在手機上看地圖的時候，資料經常是一個方塊一個方塊地加載出來，背後也是因為資料是基于瓦片來存儲和傳輸的。四維圖新在《智能網聯汽車高精地圖白皮書》中提到，其向某OEM 最終傳遞 2.5.4 版本的 NDS 規格的中國全境高速和部分城市道路的高精地圖資料，平均一個瓦片的資料大小大約在 60-80kb。
NDS.Live
相比之下，NDS.Live就不再是一個資料庫，而是一個分布式地圖資料系統。這其中包括資料服務以及應用服務，比如路徑生成、電動車裡程計算和POI搜尋等功能。這些服務的應用接口在NDS.Live中定義，但規範中并不包括底層通訊傳輸。NDS.Live的使用者能夠自由選擇NDS資料或應用服務的部署位置，這可以是在雲端、車載娛樂控制器或者手機APP等其他任何地方。NDS.Live可以說是NDS的新一代規範，更具生命力。
NDS.Live支援多種資料傳輸協定，包括常用的從雲端到車端通訊的HTTP/REST和車載通訊SOME/IP。但無論選擇哪種傳輸協定，接口層的互操作性都由NDS.Live來維護，因為資料在被傳遞到傳輸層之前是以互操作、跨平台、跨語言的方式進行序列化的。如下圖示例，底層采用HTTP傳輸，然後在标準的HTTP協定之上設計應用接口作為适配參考層，同時根據NDS.Live規範可以設計統一的服務層，供不同的上層應用子產品調用。如果例子中的HTTP協定換成SOME/IP協定，則隻需設計對應的參考層，可以最大限度地複用上層應用和底層标準傳輸協定。而下圖示例中的參考層雖然不屬于NDS.Live的規範内容，但是NDS組織也提供了針對HTTP和SOME/IP的參考層實作樣例。
圖5：NDS.Live與不同傳輸層接口層次示意圖
NDS.Live架構介紹
在傳輸協定和API适配之上，則是NDS.Live規範的主體部分。如圖5所示，我們可以分兩個層次來進一步了解：子產品（Module）和服務層（Service Layer）。
子產品（Module）
NDS.Live是一個基于子產品的分布式地圖系統，是以規範和文檔也是按子產品安排的。子產品代表相關資料的集合，例如資料類型、定義和接口。下圖是NDS.Live所定義的子產品概覽。
圖6：NDS.Live子產品概覽
子產品分為5種類型：
- Common：通用子產品，用于可以全局複用的通用資料，例如基礎的資料類型等。
- Feature: 特征子產品，用于定義地圖特征和幾何資料。
- Attribute: 屬性子產品，用于定義屬性，可以簡單了解為是對地圖特征的更細緻描述。例如ADAS、定位等都是在屬性子產品中定義。
- Reference: 參考子產品，實際上是特征子產品和屬性子產品之間的接口。通過參考子產品引用資料，可以降低子產品之間的耦合度。
- Service：服務子產品，提供資料通路的接口。服務的終端通路定義都在該子產品定義，例如常見的“請求-應答”和“釋出-訂閱”服務接口都在這類子產品中定義。
這些不同的子產品之間不同的排列組合，可以滿足不同的用例。例如在ADAS應用場景下，基于車道的特征子產品、ADAS屬性子產品、資料類型定義的通用子產品和定義具體服務接口的服務子產品之間就可以滿足。而在不同的應用場景和不同的子產品下，NDS.Live還抽象出了不同的資料層（Data Layer），用來定義具體的資料結構。這背後同樣是“高内聚、低耦合”的思想。如下圖所示，不同用例可以取5種資料層中的若幹種。例如普通ISA（Intelligent Speed Assist）場景下，業務隻需要道路基礎資訊和限速資訊，可以隻擷取底下兩層。更複雜的功能業務，則可以用更豐富的層次。當然這隻是在功能邏輯層面的區分，實際上在資料二進制存儲和通訊等實作過程中，不同層次的資料層會打包進一個資料容器（Data Container）中。
圖7：不同用例下資料層的複用示意圖
另外，在資料壓縮和安全方面，NDS.Live也提供了針對資料層的解決方案，有利于滿足汽車行業的功能安全和資訊安全等要求。NDS.Live中明确了支援的壓縮算法。而關于資料簽名，NDS.Live也提供了一個預定義的哈希和簽名機制清單。簽名算法可以用專有的簽名算法接口進行擴充。用于簽名和加密的密鑰管理不在NDS.Live的範圍内，但它提供了URL或密鑰ID接口。結合AUTOSAR中的密鑰管理子產品，可以快速高效地部署資料安全系統。
服務層（Service Layer）
服務層可以了解為NDS.Live中定義的通信中間件。NDS.Live規範是針對多個網絡參與者的分布式系統開發的。每個參與者由一個網絡節點代表，由該節點來提供或請求與地圖和導航有關的資訊。
NDS.Live系統内的每個通信事件都涉及兩種類型的網絡節點：服務端節點和用戶端節點。服務層所定義的服務接口，就是用于服務端節點和用戶端節點之間的資訊傳遞。服務端和用戶端之間可以通過“請求-應答”和“釋出-訂閱”模式進行通信。而NDS.Live中定義的服務接口分兩種類型：通用服務接口和基于子產品的服務接口。
兩種服務接口類型的主要差别就是是否對不同的子產品通用。通用服務接口如下圖左側所示，如果用戶端發起一個請求，來擷取不同子產品所提供的不同資料内容。這時候服務接口可以把不同資料源拼接在一起，統一通過同一個服務響應來傳遞資料。這種彙納多個資料源後由統一的服務響應傳遞資料的方式，在NDS.Live中也稱為智慧層（Smart Layer）。
智慧層的設計也是基于終端使用場景出發的，例如用戶端傳來基于瓦片ID的請求，服務端可以把對應瓦片内不同子產品不同層次的資料都放在同一個資料容器内後響應。除了支援NDS.Classic的基于瓦片的方法，NDS.Live還增加了路徑和對象作為容器的額外選項。例如ADAS用戶端發來基于路徑幾何特性的請求，服務端可以把該路徑對應的資料統一響應。這樣可以為基于路徑的自動駕駛和ADAS用例減少資料帶寬。又例如針對泊車場景，需要單獨下載下傳一個停車場的高清地圖時，可以通過對象作為容器和服務接口來傳輸。
圖8：NDS.Live兩種服務接口類型對比
NDS應用例子
NDS作為導航資料标準，緻力于标準化流程和接口，以支撐更多産業創新。那麼它在汽車行業中是怎麼應用的？接下來我們看一個NDS官網上展示的實際例子。這個例子是BMW和dSPACE兩大巨頭聯手打造的HIL（Hardware In the Loop，硬體在環測試）方案，架構如下所示。
圖9：NDS 2022大會上展示的一種應用NDS的HIL架構
從連接配接的其他模拟模型可以猜測，被測ECU是ADAS的域控制器。對于毫米波雷達、雷射雷達等傳感器，通過仿真環境配合各個傳感器的核心算法模型，可以仿真感覺資料，然後提供給被測ECU。而跟NDS息息相關的主要是圖9中上部分的鍊路，也就是NDS和OpenDrive的雙向格式轉換的打通。
OpenDrive是dSPACE仿真環境對于地圖資料的統一接口，可以被輸入到仿真環境中，以開發和驗證ADAS功能。但原生OpenDrive生成的場景往往缺乏實際駕駛區域旁邊的環境細節。而這些細節又往往影響到所需驗證的功能。是以在打通NDS和OpenDrive雙向轉換之前，對于某些測試用例，可能需要手動修改三維場景。但有了上圖所示的雙向轉換之後，當需要把采集的真實資料回灌到被測ECU時，基于NDS的豐富的導航地圖資料可以經過車機後自動轉換為OpenDrive格式，提供給仿真環境，然後生成相對更真實的3D環境進行測試。而當采用dSPACE搭建虛拟環境時，生成的OpenDrive地圖資料也可以轉換為NDS，供車機渲染酷炫的動畫。
來自兩大巨頭将接口标準的打通，相信也會加速NDS的應用推廣。方案中呈現的NDS和OpenDrive雙向轉換，相信也會商業化成為産品。這樣一來，在推廣應用NDS作為高精地圖資料标準的同時，原有的硬體在環測試裝置和方案也可以沿用，是一個共赢的局面。
寫在最後
随着智能駕駛技術的日益成熟，高精地圖已經成為了各大廠家的新戰場。高盛對全球高精地圖市場的預判是，到2025年市場規模會擴大到94億美元。行業普遍認為，未來15年高精地圖行業将進入黃金發展期。而在這個過程中，最好的選擇肯定是制定标準。如果不能，那選擇一個有前景的标準進行跟随和應用也是提升自身核心競争力的有效手段。那麼你覺得NDS是這個有前景的标準嗎？
參考來源：
- https://nds-association.org/#nds
- https://developer.nds.live/