環(huán)境監(jiān)測無人機(jī)概念設(shè)計研究

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摘要：使用無人機(jī)可有效地監(jiān)測環(huán)境、節(jié)省人力成本、高效采集數(shù)據(jù)。文章采用精益創(chuàng)業(yè)對環(huán)境監(jiān)測無人機(jī)的價值主張和商業(yè)模型畫布進(jìn)行了構(gòu)建，描繪了環(huán)境監(jiān)測無人機(jī)在商業(yè)模式中的關(guān)鍵因素，并建立最小可行性產(chǎn)品調(diào)查，統(tǒng)計客戶需求，依據(jù)反饋進(jìn)行迭代改進(jìn)，以較短的研發(fā)周期推出契合市場需求的產(chǎn)品。

關(guān)鍵詞：環(huán)境監(jiān)測；無人機(jī)；精益創(chuàng)業(yè)；產(chǎn)品開發(fā)

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(jī)作為近年來新興科技發(fā)展產(chǎn)物，由于其機(jī)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(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。在環(huán)境保護(hù)和監(jiān)測方面，無人機(jī)也有著重要的應(yīng)用前景。趙慶展等[1]設(shè)計了一種基于小型四旋翼無人機(jī)的空氣監(jiān)測平臺，可擴(kuò)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(jī)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(shè)備，可對PM2.5進(jìn)行有效監(jiān)測。在工業(yè)氣體測量方面，相關(guān)研究利用無人機(jī)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(guān)研究對無人機(jī)在環(huán)境監(jiān)測和保護(hù)的應(yīng)用方面進(jìn)行了相關(guān)研究，技術(shù)日趨成熟，但商業(yè)化進(jìn)程方面較為滯后，應(yīng)用仍不普遍。為了加快無人機(jī)在環(huán)境監(jiān)測保護(hù)方面的商業(yè)化進(jìn)程，搭建技術(shù)與商業(yè)之間的橋梁，論文采用精益創(chuàng)業(yè)（LeanStartup）的方法對客戶需求進(jìn)行全面的分析，為無人機(jī)在環(huán)境保護(hù)和監(jiān)測的市場化應(yīng)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(wù)的開發(fā)機(jī)制，通過快速的迭代和市場學(xué)習(xí)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(wù)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(wù)的價值主張、基礎(chǔ)設(shè)施、客戶和財務(wù)狀況等九個元素，它將商業(yè)模式中的元素標(biāo)準(zhǔn)化，并強(qiáng)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(wù)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(jìn)行定義后，便可提出最小可行性產(chǎn)品，讓團(tuán)隊以最小的努力收集大量客戶反饋信息用于學(xué)習(xí)和改進(jìn)。

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(jī)，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(jìn)行檢測樣本采集；同時，在無人機(jī)上安裝高精度照相機(jī)，可以對危害環(huán)境的行為進(jìn)行拍照取證；激光雷達(dá)的安裝可以通過對飛行區(qū)域進(jìn)行三維掃描，分析森林、草場或濕地面積的變化；擴(kuò)音器用于相關(guān)環(huán)境保護(hù)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(jī)的價值主張見圖1。

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(wù)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(wù)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(wù)的價值。環(huán)境監(jiān)測無人機(jī)的商業(yè)模型畫布見圖2。

3最小可行性產(chǎn)品建立與設(shè)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(jī)，機(jī)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(qiáng)的續(xù)航能力。機(jī)身前部的高分辨率照相機(jī)可進(jìn)行圖像采集。無人機(jī)機(jī)身下部從前至后依次安裝有激光雷達(dá)、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(dá)用于對飛行區(qū)域進(jìn)行3D掃描和繪圖，如對地形或林地、濕地形狀面積進(jìn)行繪制，氣體測量裝置可在線對空氣質(zhì)量進(jìn)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(jìn)行水質(zhì)樣本采集，初始設(shè)計可以采集兩種不同的水質(zhì)樣本。機(jī)身后部的揚聲器可用于環(huán)境保護(hù)相關(guān)法律法規(guī)宣傳，及時對危害環(huán)境的行為進(jìn)行制止。

3.2基于客戶反饋的迭代改進(jìn)

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。共對25家環(huán)境監(jiān)測、檢驗和科研機(jī)構(gòu)進(jìn)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(jī)的統(tǒng)計如圖4（a）所示，80％的單位之前從未使用過無人機(jī)，均使用傳統(tǒng)的手段進(jìn)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(jī)進(jìn)行PM2.5監(jiān)測。關(guān)于期望使用無人機(jī)開展的環(huán)境監(jiān)測任務(wù)如圖4（b）所示，41.2%的需求為進(jìn)行空氣質(zhì)量監(jiān)測，23.5%為進(jìn)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(jī)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(shù)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(dá)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(wù)費用為500元。對于產(chǎn)品的學(xué)習(xí)使用方法，72%的客戶選擇視頻教程。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(jī)具有更加廣闊的視角；②產(chǎn)品價格約為50，000RMB，服務(wù)費用為每次500RMB；③視頻教程作為學(xué)習(xí)方法；④氣體質(zhì)量監(jiān)測裝置可以進(jìn)行換裝，對多種氣體進(jìn)行檢測。基于MVP1模型和第一次調(diào)查的反饋，生成了MVP2進(jìn)入新一輪的調(diào)查。第二輪調(diào)查主要針對無人機(jī)和環(huán)境監(jiān)測行業(yè)的專業(yè)技術(shù)人員，共采訪6人。主要意見及對應(yīng)的改進(jìn)措施見表2。經(jīng)過兩輪意見調(diào)查和改進(jìn)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(dá)，將氣體測量裝置放置在了無人機(jī)上方，更加方便不同氣體測量裝置的更換。通過迭代設(shè)計，客戶的需求得到很好的識別和滿足。

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(jī)為例進(jìn)行了概念設(shè)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(jī)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(shè)計迭代過程，搭建了環(huán)境監(jiān)測無人機(jī)技術(shù)和市場之間的橋梁，為下一步的商業(yè)成功奠定了基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

[1]趙慶展，張?zhí)煲悖惡?小型四旋翼無人機(jī)空氣質(zhì)量監(jiān)測儀設(shè)計[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2017，40（24）：102-107.

[2]王東生，彭仲仁，李白，等.基于多旋翼無人機(jī)平臺的大氣PM2.5垂直結(jié)構(gòu)觀測技術(shù)[J].裝備環(huán)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：謝春穩(wěn) 芶鑫 栗秀中 史新芳 單位：航空工業(yè)新航集團(tuán)民機(jī)研發(fā)中心 克萊菲爾德大學(xué)航空交通與制造學(xué)院