基于精益創業的環境監測無人機概念設計

謝春穩， 芶 鑫， 栗秀中， 史新芳

（1. 航空工業新航集團民機研發中心， 河南 新鄉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

環境監測是指間斷或連續地測定環境中污染物的濃度，觀察、分析其變化和對環境影響的過程。 無人機作為近年來新興科技發展產物， 由于其機動靈活和易于操控的特點，已在軍事、農業、旅游業和物流業等領域得到了廣泛的應用。在環境保護和監測方面，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 進行有效監測。 在工業氣體測量方面，相關研究利用無人機在工業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。 國內外相關研究對無人機在環境監測和保護的應用方面進行了相關研究， 技術日趨成熟，但商業化進程方面較為滯后，應用仍不普遍。 為了加快無人機在環境監測保護方面的商業化進程， 搭建技術與商業之間的橋梁，論文采用精益創業（Lean Startup）的方法對客戶需求進行全面的分析， 為無人機在環境保護和監測的市場化應用提供支持。

1 精益創業產品開發理論

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

精益創業通過定義商業模型畫布確定市場是否存在對新產品或服務的需求。 商業模型畫布是一個直觀的圖表，包含產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，它將商業模式中的元素標準化，并強調元素間的相互作用。 價值主張作為商業模型畫布的核心元素，描繪了如何給客戶傳遞和增加價值，確保產品或服務開發緊緊圍繞客戶和需求。 在對商業模型畫布的各個元素進行定義后，便可提出最小可行性產品，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造價值。對于新開發的環境檢測無人機， 客戶工作為在飛行期間檢測空氣質量、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； 擴音器用于相關環境保護法律法規的宣傳及對可能危害到環境的行為及時制止。 環保無人機的價值主張見圖1。

圖1 環保無人機價值主張

2.2 商業模型畫布

完成價值主張后，需要定義商業模型畫布。商業模型畫布是用于開發新產品或服務的戰略管理和精益創業模板， 它采用可視化圖表的方式描繪啟動產品或服務開發的所有構成要素， 以解釋交付給客戶的產品或服務的價值。 環境監測無人機的商業模型畫布見圖2。

圖2 環境監測無人機商業模型畫布

3 最小可行性產品建立與設計迭代

3.1 最小可行性產品模型建立

根據商業模型畫布的價值主張， 建立了初始最小可行性產品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、水質樣本采集裝置和揚聲器，其中激光雷達用于對飛行區域進行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量進行檢測， 并通過無線傳輸裝置將檢測結果發送至地面控制單元， 水質樣本采集裝置配備有可伸縮式吸管，可在水源上方1 米距離進行水質樣本采集，初始設計可以采集兩種不同的水質樣本。 機身后部的揚聲器可用于環境保護相關法律法規宣傳， 及時對危害環境的行為進行制止。

圖3 初始最小可行性產品MVP1

3.2 基于客戶反饋的迭代改進

根據初始最小可行性產品MVP1 編制了客戶意見調查表，見表1。

表1 第一輪客戶意見調查表

共對25 家環境監測、檢驗和科研機構進行了問卷調查。 所調查單位目前在環境監測中使用無人機的統計如圖4（a）所示，80%的單位之前從未使用過無人機，均使用傳統的手段進行環境監測，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 監測。 關于期望使用無人機開展的環境監測任務如圖4（b）所示，41.2%的需求為進行空氣質量監測，23.5%為進行水質檢測，17.6%為各種工業廢氣檢測，11.8%的需求為噪音檢測， 由于無人機自身旋翼轉動時會產生一定量值的噪音， 現階段的技術能力無法滿足噪音監測需求。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 客戶反饋意見統計

在分析了第一次調查的結果之后， 得出了在MVP2上實現的附加功能和屬性如下： ①相機具有更加廣闊的視角； ②產品價格約為50，000RMB， 服務費用為每次500RMB；③視頻教程作為學習方法；④氣體質量監測裝置可以進行換裝，對多種氣體進行檢測。基于MVP1 模型和第一次調查的反饋，生成了MVP2 進入新一輪的調查。第二輪調查主要針對無人機和環境監測行業的專業技術人員，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

經過兩輪意見調查和改進迭代后， 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 結論

新產品的開發對于企業的競爭力和市場占有率以及潛在的利潤和回報極為重要， 論文介紹了精益創業的產品開發理念，并以環境監測無人機為例進行了概念設計。與傳統的環境監測方式相比， 該型環境監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。通過精益創業的研發過程，該產品為客戶創造的價值得到提升，具有較大的市場潛力。通過精益創業的設計迭代過程，搭建了環境監測無人機技術和市場之間的橋梁， 為下一步的商業成功奠定了基礎。