基于精益創(chuàng)業(yè)的環(huán)境監(jiān)測無人機概念設計

謝春穩(wěn)， 芶 鑫， 栗秀中， 史新芳

（1. 航空工業(yè)新航集團民機研發(fā)中心， 河南 新鄉(xiāng)453019； 2.克萊菲爾德大學航空交通與制造學院， 貝德福德MK430 AB）

0 引言

環(huán)境監(jiān)測是指間斷或連續(xù)地測定環(huán)境中污染物的濃度，觀察、分析其變化和對環(huán)境影響的過程。 無人機作為近年來新興科技發(fā)展產(chǎn)物， 由于其機動靈活和易于操控的特點，已在軍事、農(nóng)業(yè)、旅游業(yè)和物流業(yè)等領域得到了廣泛的應用。在環(huán)境保護和監(jiān)測方面，無人機也有著重要的應用前景。趙慶展等[1]設計了一種基于小型四旋翼無人機的空氣監(jiān)測平臺， 可擴展多種類型傳感器滿足不同的測量要求。 王東升等[2]使用多旋翼無人機作為載體，集成多種大氣污染物和氣象要素的便攜式檢測設備， 可對PM2.5 進行有效監(jiān)測。 在工業(yè)氣體測量方面，相關研究利用無人機在工業(yè)廢氣源繪制廢氣濃度圖像[3]，避免了人為采集時的危險和費時問題。 國內(nèi)外相關研究對無人機在環(huán)境監(jiān)測和保護的應用方面進行了相關研究， 技術日趨成熟，但商業(yè)化進程方面較為滯后，應用仍不普遍。 為了加快無人機在環(huán)境監(jiān)測保護方面的商業(yè)化進程， 搭建技術與商業(yè)之間的橋梁，論文采用精益創(chuàng)業(yè)（Lean Startup）的方法對客戶需求進行全面的分析， 為無人機在環(huán)境保護和監(jiān)測的市場化應用提供支持。

1 精益創(chuàng)業(yè)產(chǎn)品開發(fā)理論

精益創(chuàng)業(yè)是指在市場行情不確定性極大的情況下建立一種產(chǎn)品或服務的開發(fā)機制， 通過快速的迭代和市場學習系統(tǒng)地解決不確定性， 從而幫助企業(yè)或組織做出判斷是否要開發(fā)這種新產(chǎn)品以及如何增加新產(chǎn)品開發(fā)的成功概率[4]。

精益創(chuàng)業(yè)通過定義商業(yè)模型畫布確定市場是否存在對新產(chǎn)品或服務的需求。 商業(yè)模型畫布是一個直觀的圖表，包含產(chǎn)品或服務的價值主張、基礎設施、客戶和財務狀況等九個元素，它將商業(yè)模式中的元素標準化，并強調(diào)元素間的相互作用。 價值主張作為商業(yè)模型畫布的核心元素，描繪了如何給客戶傳遞和增加價值，確保產(chǎn)品或服務開發(fā)緊緊圍繞客戶和需求。 在對商業(yè)模型畫布的各個元素進行定義后，便可提出最小可行性產(chǎn)品，讓團隊以最小的努力收集大量客戶反饋信息用于學習和改進。

2 定義價值主張和商業(yè)模型畫布

2.1 價值主張

價值主張由客戶資料和價值圖兩部分組成。 在客戶資料部分可以清楚地了解客戶，包括客戶工作、客戶收獲和客戶痛點。 在價值圖中，描述了如何為客戶創(chuàng)造價值。對于新開發(fā)的環(huán)境檢測無人機， 客戶工作為在飛行期間檢測空氣質(zhì)量、可以在河流、湖泊和濕地等水域進行檢測樣本采集；同時，在無人機上安裝高精度照相機，可以對危害環(huán)境的行為進行拍照取證； 激光雷達的安裝可以通過對飛行區(qū)域進行三維掃描，分析森林、草場或濕地面積的變化； 擴音器用于相關環(huán)境保護法律法規(guī)的宣傳及對可能危害到環(huán)境的行為及時制止。 環(huán)保無人機的價值主張見圖1。

圖1 環(huán)保無人機價值主張

2.2 商業(yè)模型畫布

完成價值主張后，需要定義商業(yè)模型畫布。商業(yè)模型畫布是用于開發(fā)新產(chǎn)品或服務的戰(zhàn)略管理和精益創(chuàng)業(yè)模板， 它采用可視化圖表的方式描繪啟動產(chǎn)品或服務開發(fā)的所有構(gòu)成要素， 以解釋交付給客戶的產(chǎn)品或服務的價值。 環(huán)境監(jiān)測無人機的商業(yè)模型畫布見圖2。

圖2 環(huán)境監(jiān)測無人機商業(yè)模型畫布

3 最小可行性產(chǎn)品建立與設計迭代

3.1 最小可行性產(chǎn)品模型建立

根據(jù)商業(yè)模型畫布的價值主張， 建立了初始最小可行性產(chǎn)品MVP1 如圖3 所示。 MVP1 為四旋翼無人機，機身上部的太陽能電池板安裝有200 塊太陽能電池， 可提供超強的續(xù)航能力。 機身前部的高分辨率照相機可進行圖像采集。 無人機機身下部從前至后依次安裝有激光雷達、氣體測量裝置、水質(zhì)樣本采集裝置和揚聲器，其中激光雷達用于對飛行區(qū)域進行3D 掃描和繪圖，如對地形或林地、濕地形狀面積進行繪制，氣體測量裝置可在線對空氣質(zhì)量進行檢測， 并通過無線傳輸裝置將檢測結(jié)果發(fā)送至地面控制單元， 水質(zhì)樣本采集裝置配備有可伸縮式吸管，可在水源上方1 米距離進行水質(zhì)樣本采集，初始設計可以采集兩種不同的水質(zhì)樣本。 機身后部的揚聲器可用于環(huán)境保護相關法律法規(guī)宣傳， 及時對危害環(huán)境的行為進行制止。

圖3 初始最小可行性產(chǎn)品MVP1

3.2 基于客戶反饋的迭代改進

根據(jù)初始最小可行性產(chǎn)品MVP1 編制了客戶意見調(diào)查表，見表1。

表1 第一輪客戶意見調(diào)查表

共對25 家環(huán)境監(jiān)測、檢驗和科研機構(gòu)進行了問卷調(diào)查。 所調(diào)查單位目前在環(huán)境監(jiān)測中使用無人機的統(tǒng)計如圖4（a）所示，80%的單位之前從未使用過無人機，均使用傳統(tǒng)的手段進行環(huán)境監(jiān)測，16%的單位曾將其用于航拍，僅有1 家單位使用無人機進行PM2.5 監(jiān)測。 關于期望使用無人機開展的環(huán)境監(jiān)測任務如圖4（b）所示，41.2%的需求為進行空氣質(zhì)量監(jiān)測，23.5%為進行水質(zhì)檢測，17.6%為各種工業(yè)廢氣檢測，11.8%的需求為噪音檢測， 由于無人機自身旋翼轉(zhuǎn)動時會產(chǎn)生一定量值的噪音， 現(xiàn)階段的技術能力無法滿足噪音監(jiān)測需求。對于使用距離和頻率，客戶希望達到的平均距離和使用頻率分別為約為8.13公里和每周4.5 次。 產(chǎn)品的平均購買價格約為5 萬元人民幣， 單次服務費用為500 元。 對于產(chǎn)品的學習使用方法，72%的客戶選擇視頻教程。

圖4 MVP1 客戶反饋意見統(tǒng)計

在分析了第一次調(diào)查的結(jié)果之后， 得出了在MVP2上實現(xiàn)的附加功能和屬性如下： ①相機具有更加廣闊的視角； ②產(chǎn)品價格約為50，000RMB， 服務費用為每次500RMB；③視頻教程作為學習方法；④氣體質(zhì)量監(jiān)測裝置可以進行換裝，對多種氣體進行檢測?；贛VP1 模型和第一次調(diào)查的反饋，生成了MVP2 進入新一輪的調(diào)查。第二輪調(diào)查主要針對無人機和環(huán)境監(jiān)測行業(yè)的專業(yè)技術人員，共采訪6 人。 主要意見及對應的改進措施見表2。

表2 第二次客戶意見反饋表

經(jīng)過兩輪意見調(diào)查和改進迭代后， 最終的解決方案如圖5 所示。最終解決方案移除了太陽能電池板；更換了高精度激光雷達，將氣體測量裝置放置在了無人機上方，更加方便不同氣體測量裝置的更換。 通過迭代設計， 客戶的需求得到很好的識別和滿足。

圖5 最終解決方案

4 結(jié)論

新產(chǎn)品的開發(fā)對于企業(yè)的競爭力和市場占有率以及潛在的利潤和回報極為重要， 論文介紹了精益創(chuàng)業(yè)的產(chǎn)品開發(fā)理念，并以環(huán)境監(jiān)測無人機為例進行了概念設計。與傳統(tǒng)的環(huán)境監(jiān)測方式相比， 該型環(huán)境監(jiān)測無人機可大大縮短取樣檢測時間、減少成本，同時避免了檢測人員近距離接觸毒害氣體，提高了安全系數(shù)。通過精益創(chuàng)業(yè)的研發(fā)過程，該產(chǎn)品為客戶創(chuàng)造的價值得到提升，具有較大的市場潛力。通過精益創(chuàng)業(yè)的設計迭代過程，搭建了環(huán)境監(jiān)測無人機技術和市場之間的橋梁， 為下一步的商業(yè)成功奠定了基礎。