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NVIDIA联合港大提出COMPACT-VA,用规划对齐压缩提升长上下文自动驾驶决策性能

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目前,端到端自动驾驶正在从模块化感知、预测、规划范式,转向统一的视觉动作模型(Vision-Action Model, VA)或视觉语言动作模型(Vision-Language-Action Model, VLA)。这类模型可以将多摄像头观测、历史状态和车辆轨迹统一编码到 Transformer 模型中,再直接输出未来驾驶轨迹。但自动驾驶中的很多关键决策依赖较长时间范围内的历史信息,例如四向停车路口谁先到达、遮挡车辆是否仍有路权、无保护转弯时对向车是否已经让行。如果直接把 5 秒甚至更长的多帧视觉历史全部送入模型,token 数量会迅速超过实时推理预算。

本文介绍一篇来自 NVIDIA Research 和香港大学等机构联合完成的工作:COMPACT-VA,作者团队提出可一种规划对齐的工作记忆框架,用条件 VQ-VAE 将未来驾驶意图蒸馏成离散 latent,再引导压缩历史视觉token来增强上下文。实验结果表明,在相近 token 预算下,COMPACT-VA 可以在需要长历史记忆的停车控制场景中将 Go Success Rate 提升到 68.3%,同时带来 3.3 倍的推理加速。


论文题目: Planning-aligned Token Compression for Long-Context Autonomous Driving 文章链接: https://arxiv.org/abs/2606.07464
一、引言

统一 VA/VLA 自动驾驶模型的结构比较简洁,可以端到端学习从原始多模态输入到驾驶轨迹的映射。例如 Alpamayo[1] 这类模型使用 DINOv2[2] 等视觉编码器处理多摄像头图像,再由统一的 Transformer 进行时序推理和轨迹生成。但这类模型无法显式维护中间状态,历史信息只能以 observation token 的形式保存在上下文窗口中。当场景需要关注更长历史时,token 数会随着时间线性增长,而 Transformer 注意力计算成本又会随 token 数平方增长。


上图展示了一个长上下文的典型场景,在一个全向停车标志的路口,车辆是否应该通行并不只取决于当前帧中看到了哪辆车,还取决于几秒前谁先到达路口。如果压缩策略只保留最近帧,模型可能看不到对方车辆更早到达的证据,从而错误判断自己可以通过如果只使用规则式压缩手段,模型可能无法理解真实语义。很多压缩策略会保留近期帧、丢弃远期帧,或者按照相似度合并 token,但自动驾驶中的关键信息并不一定是最近出现的

此外,先前研究常用的位移误差指标不足以衡量自动驾驶决策的正确性。例如,滚动停车可能在 minADE 等轨迹指标上表现不错,但在交通规则上是危险行为因此本文的实验强调使用 Stop Success Rate、Go Success Rate、Roll-through Rate 等行为指标,可以直接衡量车辆是否做出了正确的停走决策。

二、本文方法

本文方法的核心目标,是在固定 token 预算下为统一 VA 自动驾驶模型构建一组规划对齐的工作记忆。COMPACT-VA 首先使用 Q-former 来压缩长历史视觉 token,再用条件 VQ-VAE 将未来轨迹中的驾驶意图蒸馏为 latent,使压缩模块在端到端训练中学习保留与规划相关的历史线索。


上图展示了 COMPACT-VA 的整体结构。其中,多视角历史观测先送入到视觉编码器生成原始 token,再通过 Q-former 压缩到记忆库中。训练时,后验编码器从未来轨迹中提取驾驶意图,先验编码器则只能从压缩后的历史观测中预测这一意图最终,压缩记忆和预测出的 latent token 再一起送入到策略 Transformer中,以自回归形式生成未来轨迹。

2.1 使用 Q-former 压缩历史视觉 token

给定 个历史时间步、每个时间步包含 个摄像头、每张图像 个视觉 token,未压缩的视觉 token 数为:


这一数量会随着时间线性增长,为此,COMPACT-VA 先将历史帧组织成 个压缩层,每一层 包含 帧,并使用不同的压缩率 。压缩后的 token 数可以写作:


这种设计本质上是一种分层工作记忆,即最近帧保留更多的 token,用来捕捉当前的交互状态。较远帧则使用强压缩,只保留对决策有价值的线索。具体而言,在每一层压缩时,模型把可学习 query token 与原始观测 token、时间步嵌入、摄像头嵌入和历史轨迹信息拼接,通过类似 BLIP-2 中 Q-former[3] 的注意力模块聚合视觉特征。压缩后的 token 会按时间顺序重新排列,并注入按压缩率调整后的 RoPE 位置编码,来使不同压缩层的时间位置仍能对齐。

2.2 用未来轨迹蒸馏驾驶意图 latent

仅靠Q-former压缩仍然无法保证模型保留的是真正有用的信息。为了解决这一问题,COMPACT-VA 进一步引入了条件 VQ-VAE。它包含一个训练时使用的后验编码器 ,以及一个训练和推理都使用的先验编码器 。

其中,后验编码器可以访问未来轨迹,因此它负责从真实未来行为中提取驾驶意图。本文先将未来轨迹转成加速度和曲率控制序列,再量化为离散轨迹 token,随后通过一个轻量的 Transformer 输出高斯分布参数,并采样得到 。先验编码器则只能访问压缩后的历史观测 ,来预测驾驶意图 latent。这就形成了一个关键约束:如果压缩模块丢掉了决定未来行为的历史线索,先验编码器就无法预测出与后验一致的驾驶意图

在此基础上, 和 会被映射到共享 VQ codebook 中,来得到离散的 skills 表示 。随后,这个离散 latent 被重新投影为一个特殊 token,和压缩记忆一起送入到策略 Transformer 中来输出驾驶意图token

2.3 端到端训练压缩和轨迹预测

基于上述设计,COMPACT-VA 的训练目标由三部分组成,形式化表示如下:


其中 是未来轨迹 token 的交叉熵损失,KL 项要求先验编码器从压缩历史中预测出接近后验的驾驶意图,commitment loss 用于稳定 VQ-VAE。该损失函数将压缩、意图预测和规划放到同一个闭环中进行优化。在推理阶段,后验编码器会直接丢弃。系统只保留 Q-former 压缩模块、先验编码器、VQ-VAE 和策略 Transformer。模型需要完全根据历史观测预测驾驶意图,并输出未来轨迹,这保证了训练和部署的一致性

三、实验结果

本文作者在 Alpamayo Physical AI 数据集上构建了与停车控制相关的长历史评估集,并在 Alpasim 仿真环境中测试模型的驾驶能力。


image.png

上图展示了本文重点关注的三类多信号动态场景。它们共同的特点是,正确行为并不只取决于当前帧的几何位置,而需要模型记忆并理解前几秒出现过的车辆状态、路权关系或对向车的运动趋势

3.1 COMPACT-VA 在停车控制场景中的性能

作者首先在四向停车、动态遮挡、无保护转弯等多信号场景中对比不同上下文方法的性能评价指标包括 Go Success Rate、Stop Success Rate、Roll-through Rate、停车位置误差和停车时长误差。


上表结果显示,标准 Alpamayo 在 1 秒、8 张图像输入的条件下,Go Success Rate 为 63.8%。当直接扩展到 5 秒长历史时,如果只进行稀疏采样,Go Success Rate 下降到 62.0%。如果保留 40 张图像的密集长历史但不压缩,Go Success Rate 也只有 61.9%。这说明更长的上下文并不会直接提升决策质量,并且增加过多未经组织的 token 反而会干扰模型进行时序推理

3.2 长历史压缩可以有效提升自动驾驶决策效率

为了验证本文方法不是只在数值指标上有效,作者进一步在 Alpasim 环境中进行了 910 个多样化场景的闭环评估。该实验主要用于确认 COMPACT-VA 在一般驾驶场景中不会破坏安全性和轨迹质量。


上表结果显示,COMPACT-VA 在碰撞、越界、错误车道、规划偏差等闭环指标上与基线方法基本持平。这说明压缩长历史并没有牺牲模型在一般驾驶场景中的稳定性


在推理效率方面,短上下文基线方法的平均推理时间为 498.50 ms,峰值显存为 5.94 GB。未压缩长上下文方法的平均推理时间为 1253.52 ms,峰值显存为 10.51 GB。COMPACT-VA 在 5 秒、40 张图像输入的情况下平均推理时间为 377.08 ms,峰值显存为 3.95 GB。相对未压缩长上下文方法,本文方法实现了 3.3 倍的推理加速和 2.7 倍的显存降低,这展示了 COMPACT-VA 的推理效率优势

3.3 历史记忆对自动驾驶决策的影响

除了定量实验,作者还给出了一个全向停车标志场景下右转的闭环案例,用来直观展示 COMPACT-VA 如何利用历史上下文做出让行判断。


在上图中,车辆需要在路口右转,同时让行给更早到达并继续直行的交叉车辆。鸟瞰图里的黄色轨迹表示参考轨迹,蓝色轨迹表示模型给出的预测轨迹,两者都保持较短,说明模型选择减速并等待,而不是直接穿过路口。右侧的相机视角则展示了车辆减速、对向车辆通过的过程。该例子可以说明,COMPACT-VA 保留的并不是任意历史画面,而是能帮助判断路权和车辆到达顺序的关键线索

3.4 消融实验

作者也进一步对模型的架构组件进行了消融,在无压缩情况下,输入 5 秒 40 张图像的 Go Success Rate 只有 61.9%。加入朴素压缩后性能提升到 63.5%。加入历史轨迹条件的压缩后性能达到 65.6%。


上表结果说明,性能提升来自多个组件的叠加。其中,Q-former 压缩减少了冗余 token 数量,历史轨迹条件可以帮助模型聚焦自身行为的相关信息,规划对齐 latent 则进一步把压缩目标绑定到未来驾驶决策上。


上表展示的压缩率消融实验也给出了一个重要结论:最近帧应当保留较高的分辨率,远期帧则可以进行更强的压缩。当最近层保留 8 张图像、每张 160 token,并对中远期帧进行分层压缩时,模型可以获得最好的 Go Success Rate 性能。

四、总结

本文提出的 COMPACT-VA,为长上下文自动驾驶提供了一种规划对齐的 token 压缩方案。它通过 Q-former 模型来建立一种高效的工作记忆,再用条件 VQ-VAE 从未来轨迹中蒸馏驾驶意图,让压缩过程直接作用于轨迹预测和停走决策。实验结果表明,COMPACT-VA 可以在停车控制等关键场景中显著提升 Go Success Rate,并能在闭环仿真中较好地保持一般驾驶能力,同时带来明显的推理加速和显存节省效果。

参考

[1] Wang Y, Luo W, Bai J, et al. Alpamayo-R1: Bridging Reasoning and Action Prediction for Generalizable Autonomous Driving in the Long Tail. arXiv, 2025.

[2] Oquab M, Darcet T, Moutakanni T, et al. DINOv2: Learning Robust Visual Features without Supervision. Transactions on Machine Learning Research, 2024.

[3] Li J, Li D, Xiong C, Hoi S. BLIP-2: Bootstrapping Language-Image Pre-training with Frozen Image Encoders and Large Language Models. International Conference on Machine Learning, 2023.

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-The End-

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