环境监测无人机概念设计研究

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摘要：使用无人机可有效地监测环境、节省人力成本、高效采集数据。文章采用精益创业对环境监测无人机的价值主张和商业模型画布进行了构建，描绘了环境监测无人机在商业模式中的关键因素，并建立最小可行性产品调查，统计客户需求，依据反馈进行迭代改进，以较短的研发周期推出契合市场需求的产品。

关键词：环境监测；无人机；精益创业；产品开发

环境监测是指间断或连续地测定环境中污染物的浓度，观察、分析其变化和对环境影响的过程。无人机作为近年来新兴科技发展产物，由于其机动灵活和易于操控的特点，已在军事、农业、旅游业和物流业等领域得到了广泛的应用。在环境保护和监测方面，无人机也有着重要的应用前景。赵庆展等[1]设计了一种基于小型四旋翼无人机的空气监测平台，可扩展多种类型传感器满足不同的测量要求。王东升等[2]使用多旋翼无人机作为载体，集成多种大气污染物和气象要素的便携式检测设备，可对PM2.5进行有效监测。在工业气体测量方面，相关研究利用无人机在工业废气源绘制废气浓度图像[3]，避免了人为采集时的危险和费时问题。国内外相关研究对无人机在环境监测和保护的应用方面进行了相关研究，技术日趋成熟，但商业化进程方面较为滞后，应用仍不普遍。为了加快无人机在环境监测保护方面的商业化进程，搭建技术与商业之间的桥梁，论文采用精益创业（LeanStartup）的方法对客户需求进行全面的分析，为无人机在环境保护和监测的市场化应用提供支持。

1精益创业产品开发理论

精益创业是指在市场行情不确定性极大的情况下建立一种产品或服务的开发机制，通过快速的迭代和市场学习系统地解决不确定性，从而帮助企业或组织做出判断是否要开发这种新产品以及如何增加新产品开发的成功概率[4]。精益创业通过定义商业模型画布确定市场是否存在对新产品或服务的需求。商业模型画布是一个直观的图表，包含产品或服务的价值主张、基础设施、客户和财务状况等九个元素，它将商业模式中的元素标准化，并强调元素间的相互作用。价值主张作为商业模型画布的核心元素，描绘了如何给客户传递和增加价值，确保产品或服务开发紧紧围绕客户和需求。在对商业模型画布的各个元素进行定义后，便可提出最小可行性产品，让团队以最小的努力收集大量客户反馈信息用于学习和改进。

2定义价值主张和商业模型画布

2.1价值主张

价值主张由客户资料和价值图两部分组成。在客户资料部分可以清楚地了解客户，包括客户工作、客户收获和客户痛点。在价值图中，描述了如何为客户创造价值。对于新开发的环境检测无人机，客户工作为在飞行期间检测空气质量、可以在河流、湖泊和湿地等水域进行检测样本采集；同时，在无人机上安装高精度照相机，可以对危害环境的行为进行拍照取证；激光雷达的安装可以通过对飞行区域进行三维扫描，分析森林、草场或湿地面积的变化；扩音器用于相关环境保护法律法规的宣传及对可能危害到环境的行为及时制止。环保无人机的价值主张见图1。

2.2商业模型画布

完成价值主张后，需要定义商业模型画布。商业模型画布是用于开发新产品或服务的战略管理和精益创业模板，它采用可视化图表的方式描绘启动产品或服务开发的所有构成要素，以解释交付给客户的产品或服务的价值。环境监测无人机的商业模型画布见图2。

3最小可行性产品建立与设计迭代

3.1最小可行性产品模型建立

根据商业模型画布的价值主张，建立了初始最小可行性产品MVP1如图3所示。MVP1为四旋翼无人机，机身上部的太阳能电池板安装有200块太阳能电池，可提供超强的续航能力。机身前部的高分辨率照相机可进行图像采集。无人机机身下部从前至后依次安装有激光雷达、气体测量装置、水质样本采集装置和扬声器，其中激光雷达用于对飞行区域进行3D扫描和绘图，如对地形或林地、湿地形状面积进行绘制，气体测量装置可在线对空气质量进行检测，并通过无线传输装置将检测结果发送至地面控制单元，水质样本采集装置配备有可伸缩式吸管，可在水源上方1米距离进行水质样本采集，初始设计可以采集两种不同的水质样本。机身后部的扬声器可用于环境保护相关法律法规宣传，及时对危害环境的行为进行制止。

3.2基于客户反馈的迭代改进

根据初始最小可行性产品MVP1编制了客户意见调查表，见表1。共对25家环境监测、检验和科研机构进行了问卷调查。所调查单位目前在环境监测中使用无人机的统计如图4（a）所示，80％的单位之前从未使用过无人机，均使用传统的手段进行环境监测，16％的单位曾将其用于航拍，仅有1家单位使用无人机进行PM2.5监测。关于期望使用无人机开展的环境监测任务如图4（b）所示，41.2%的需求为进行空气质量监测，23.5%为进行水质检测，17.6%为各种工业废气检测，11.8%的需求为噪音检测，由于无人机自身旋翼转动时会产生一定量值的噪音，现阶段的技术能力无法满足噪音监测需求。对于使用距离和频率，客户希望达到的平均距离和使用频率分别为约为8.13公里和每周4.5次。产品的平均购买价格约为5万元人民币，单次服务费用为500元。对于产品的学习使用方法，72%的客户选择视频教程。在分析了第一次调查的结果之后，得出了在MVP2上实现的附加功能和属性如下：①相机具有更加广阔的视角；②产品价格约为50，000RMB，服务费用为每次500RMB；③视频教程作为学习方法；④气体质量监测装置可以进行换装，对多种气体进行检测。基于MVP1模型和第一次调查的反馈，生成了MVP2进入新一轮的调查。第二轮调查主要针对无人机和环境监测行业的专业技术人员，共采访6人。主要意见及对应的改进措施见表2。经过两轮意见调查和改进迭代后，最终的解决方案如图5所示。最终解决方案移除了太阳能电池板；更换了高精度激光雷达，将气体测量装置放置在了无人机上方，更加方便不同气体测量装置的更换。通过迭代设计，客户的需求得到很好的识别和满足。

4结论

新产品的开发对于企业的竞争力和市场占有率以及潜在的利润和回报极为重要，论文介绍了精益创业的产品开发理念，并以环境监测无人机为例进行了概念设计。与传统的环境监测方式相比，该型环境监测无人机可大大缩短取样检测时间、减少成本，同时避免了检测人员近距离接触毒害气体，提高了安全系数。通过精益创业的研发过程，该产品为客户创造的价值得到提升，具有较大的市场潜力。通过精益创业的设计迭代过程，搭建了环境监测无人机技术和市场之间的桥梁，为下一步的商业成功奠定了基础。

参考文献：

[1]赵庆展，张天毅，陈洪.小型四旋翼无人机空气质量监测仪设计[J].现代电子技术，2017，40（24）：102-107.

[2]王东生，彭仲仁，李白，等.基于多旋翼无人机平台的大气PM2.5垂直结构观测技术[J].装备环境工程，2019，16（6）：35-40.

[3]KOVACSM，GAMANGA，PUPAZAND，etal.ResearchonThePotentialityofUsingAerialVehiclesforMonitoringTheEnviron-mentAgent╞Air[C]//11thInternationalConference‘EnvironmentalLegislation，SafetyEngineeringandDisasterManagement，Cluj-Napoca，Romania.2016.

[4]RIESE.TheLeanStartup：HowToday'sEntrepreneursUseContin-uousInnovationtoCreateRadicallySuccessfulBusinesses[M].Ran-domHouseLCCUS，2017：5—8.

作者：谢春稳 芶鑫 栗秀中 史新芳 单位：航空工业新航集团民机研发中心 克莱菲尔德大学航空交通与制造学院