长安汽车自动驾驶数据分析实战:从场景识别到风险评估

作者简介：梁理智，Fintech 行业解决方案专家，主攻深度学习。和大多数程序员一样，他是个乐观主义者，大量的时间都在调试代码，在调试中满怀希望，克服遇到的无数挫折。

摘要：随着自动驾驶技术的飞速发展，如何利用海量驾驶数据理解和评估复杂的交通场景，成为保障行车安全的核心挑战。本文将以长安汽车“全球华人大学生数据应用创新赛”的真实赛题为例，完整复现实战项目，深入探讨如何利用Python对智能驾驶数据进行处理、分析与可视化，最终实现驾驶场景的自动识别、复杂度建模与风险评估。

一、项目背景与赛题解读

自动驾驶系统需要在千变万化的道路环境中做出精准决策，而这一切的基础是对当前驾驶场景的深刻理解。本次实战项目的数据与课题来源于“2022全球华人大学生数据应用创新赛”，该赛题聚焦于如何利用车辆的传感器数据和高精度地图信息，对复杂的驾驶场景进行分析。

图1：赛题核心任务——可视化、分类、复杂度和交通事故概率预测

根据赛题要求，核心任务主要包含以下三个层面：

1. 驾驶场景分类：对超过10种典型的驾驶场景进行有效分类，例如区分“城市道路”与“高速公路”，并进一步识别出“变道”、“超车”、“路口”等具体行为。
2. 场景复杂度建模：基于场景内的动态（行人、车辆）和静态（道路曲率、坡度）信息，构建一个能够量化场景复杂程度的数学模型。
3. 场景危险程度评估：结合场景复杂度和驾驶行为数据，最终评估在不同场景下发生交通事故的潜在概率，并找出影响驾驶性能的关键因素。

这些任务共同构成了一个从数据感知到风险决策的完整闭环，是实现L3/L4级别自动驾驶的关键技术之一。

二、数据探索与预处理

项目的起点是理解和处理原始数据。本次使用的数据是一系列CSV文件，每个文件记录了一段连续驾驶过程中的多维度信息。数据字段繁多，关键信息主要包括自车状态、目标物体信息、车道线信息和高精度地图（HD Map）等。

数据处理过程中最大的挑战在于，许多关键字段是以JSON格式的字符串嵌套在CSV单元格中的，需要进行复杂的解析才能提取出结构化信息。以下是使用Pandas库读取并初步解析数据的Python代码示例：

import pandas as pdimport json# 读取包含驾驶数据的CSV文件file_path = '1659428125.53_1659428167.45.csv'df = pd.read_csv(file_path)# 数据解析函数示例：处理高精度地图信息defparse_hdmap_data(row):try:# 将字符串转换为Python对象        hdmap_str = row['link_list/hdmap']# 此处仅为示意，实际解析过程更复杂        hdmap_data = json.loads(cleaned_hdmap_str)        road_type = hdmap_data['links_0']['type']return road_typeexcept (TypeError, json.JSONDecodeError):returnNone# df['road_type'] = df.apply(parse_hdmap_data, axis=1)

这个预处理步骤是整个项目中最耗时但也是最关键的一环。通过对原始数据的结构化提取，我们将非结构化的数据转化为了可供分析的特征矩阵。

三、驾驶场景识别与分类

完成数据预处理后，便可以开始进行场景识别。根据项目报告中的分类体系，驾驶场景首先被划分为城区道路和高速公路两大类，再通过具体的特征组合来识别更细分的子场景。

图2：驾驶场景分类——城区道路与高速公路下的子场景划分

实现分类的核心思路是基于规则和关键字识别。例如，通过高精度地图中的type字段和车辆的speed_limit_value来区分高速公路和城区道路。下图展示了详细的技术路线。

图3：基于关键字识别的场景分类技术路线

以下是一个简化的场景分类逻辑示例：

defclassify_driving_scene(row):    speed = row['velocity']    road_type = row['road_type'] # 假设已从HD Map解析if road_type in ['highway', 'expressway'] or speed > 80:        primary_scene = '高速公路'else:        primary_scene = '城区道路'if row.get('is_at_intersection'):returnf"{primary_scene} - 路口"if row.get('is_changing_lanes'):returnf"{primary_scene} - 变道"return primary_scene

四、场景复杂度与风险评估

场景识别之后，我们需要量化每个场景的“复杂”与“危险”程度。这通常通过构建一个综合评分模型来实现。

1. 场景复杂度模型

场景复杂度由多个维度的指标加权构成。根据项目报告的思路，场景总复杂度fc(S)是车辆状态复杂度fc(I)、道路复杂度fk(K)和环境复杂度fo(D)的加权和。

图4：场景复杂度模型的数学定义与指标构成

复杂度C的计算公式为：

C = w_i * f_c(I) + w_k * f_k(K) + w_d * f_o(D)

其中 w 是权重，f 是归一化后的各项复杂度指标。

2. 场景复杂度计算

具体的计算流程如下图所示，通过对目标字段的提取、归一化处理，并结合时间序列分析，最终得到每个时刻的场景复杂度得分。

图5：场景复杂度的具体计算流程与技术路线

五、可视化分析与结论

数据分析的价值最终需要通过清晰的可视化来呈现。我们可以利用Matplotlib和Seaborn等库，从多个维度进行可视化探索。

图6：不同驾驶场景的复杂度与风险评分对比，可以看出“行人区”和“路口”是挑战最大的场景

图7：将速度与风险度在时间轴上对齐，可以清晰地看到车辆在进入“路口”、“变道”等高风险场景时风险指数的显著变化

通过这些可视化图表，我们可以得出结论：

1. 关键场景识别：高速公路的“匝道”区域、城市道路的“路口”和“行人密集区”是复杂度和风险度最高的场景。
2. 关键影响因素：影响驾驶风险的关键因素不仅包括自车速度，还包括周围目标的数量、动态变化以及道路的几何特征。
3. 模型应用价值：本研究构建的场景识别与风险评估模型，可以为自动驾驶系统的决策规划模块提供关键输入，从而有效提升行车安全。

六、总结与展望

本文通过一个完整的实战案例，展示了如何从原始的智能驾驶数据出发，经过数据处理、特征工程、场景分类、模型构建和可视化分析，最终提炼出对自动驾驶安全有价值的洞见。这个流程不仅体现了数据科学在汽车行业的核心应用，也为处理类似的多维时序数据问题提供了一套行之有效的方法论。

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