תוכנית עסקית | תכנון מוצר חדש - מציאת עקרונות פתרון לבעיות התכן הבסיסיות

בעיות תכן בסיסיות ועקרונות פתרון

תהליך התכן ההנדסי הוא ניהול וארגון של אנשים ושל המידע שהם מפיקים בזמן עבודה על מוצר.

פיתוח ו- תכן מערכתי של מוצר חדש
1. דירוג צרכי לקוחות
2. הגדרת מפרט ביצועים
3. בעיות תכן בסיסיות ועקרונות פתרון
3.1 ניתוח פונקציונלי
3.2 שיטות לניתוח פונקציונלי
3.3 גיבוש רשימת בעיות התכן הבסיסיות
3.4 מציאת עקרונות פתרון
3.5 שיטות למציאת עקרונות פתרון
3.6 סינון והערכת פתרונות
3.7 סיכום עקרונות הפתרון בטבלה מורפולוגית
4. יצירת חלופות תכן
5. בחירת חלופות ראשיות
6. ארכיטקטורה ותכן על
7. בחירת החלופה למימוש

3. בעיות תכן בסיסיות ועקרונות פתרון

פונקציה (Function) במובן התכן המערכתי היא פעולה ספציפית, מתמשכת או חד-פעמית, שהינה חיונית לצורך השגת צורך או מטרה של המערכת. כלומר, זו פעולה שהמוצר חייב לבצע. המטרה היא לזהות את ה"מה", מה הפונקציה צריכה לבצע, ולא את ה"איך", מה האופן שבו נממש את המטרה.

כדי לבצע ניתוח פונקצינאלי, מתחילים ברמת העל של המוצר, רמת המערכת, ומבצעים הפשטה פונקציונאלית של כל הצרכים שהוגדרו. המטרה היא לקבל הבנה עמוקה של הבעיות שאותן צריך המוצר לפתור, מנקודת המבט של המוצר. השיטה היא שימוש בכלי הפשטה המדמים את אופן פעולת המערכת.

התוצאה תהה רשימה של בעיות התכן הבסיסיות שהמוצר צריך לפתור, מתוארות בצורתן הפונקציונלית ("מה"), ומשוחררות פתרון (ללא "איך). בעית תכן בסיסית תוגדר בצורת שאלה ותכיל תיאור פונקצינלי. ההמלצה היא לבחור 7 ± 2 בעיות תכן.

לכל מוצר מולטי-דיסצפלינרי מסוג "Detection to Actuation" או "Sensor to Shooter" שרשרת הפעילות היא מסוג חישה←לוגיקה/בקרה←פעולה. לכן עבור מוצרים כאלו תמיד נשאל שאלות מסוג:

• חישה: כיצד נזהה? כיצד נחוש? כיצד נגלה?
• בקרה: כיצד נחליט? איך נדע? מתי נפעל?
• פעולה: כיצד נבצע? איך נמנע? איך נפעיל?
• ארכיטקטורה: איך נחלק את הפונקציות ואת הקשרים ביניהן?
• תקשורת: כיצד מקשרים בין כל המשתתפים, הפעילויות והאותות??

המטרה היא להאיר בעיות תכן בסיסיות שקשורות למישורים שונים של המוצר: בעיות חומרה, תוכנה, מכניקה, מעבר חומר ואנרגיה, אספקות, אקטואציות, ועוד. כל שיטה בד"כ תאיר פן מסוים של בעיות תכן; התוצאה היא לנסח את הבעיה בצורה של שאלה המכילה פונקציה של המוצר.

ניתוח פונקציונלי
פונקציה היא ביטוי שמכיל פועל + שם עצם (Active Verb & Noun). הביטוי הוא כללי, נטול פתרון, מופשט, ורצוי שיהיה בר-מדידה.

• ניתוח קונבציונלי: מה זה? ← רשימה של חלקים ורכיבים ← עץ מוצר
• ניתוח פונקציונלי: מה זה עושה? ← רשימה של פונקציות ← עץ פונקציות

דוגמא - עצמים והפונקציה שהם ממלאים

שיטות לניתוח פונקציונלי
קיימים מבחר כלים ושיטות לצורך ניתוח פונקציונלי וחילוץ בעיות התכן הבסיסיות. העיקריות שבהן: ניתוח באמצעות האינטואציה, שימוש בפונקציות משתמעות, ניתוח באמצעות FAST, ניתוח במודל פיזיקלי, ניתוח במודל לוגי, ניתוח בשיטת FFD.

ניתוח פונקציונלי באמצעות האינטואיציה
זהו ניתוח ברמה בסיסית בו אנו משערים את פונקציות המערכת; באמצעות בחינה של התרחישים, מעלים שאלות מהסוג של כיצד נמדוד, כיצד נדע, כיצד נחליט, כיצד נפעיל, כיצד נמנע.

ניתוח פונקציונלי באמצעות פונקציות משתמעות
פונקציה משתמעת (Implied Function) היא פונקציה שיוצאת מתוך ניתוח של שלב מסוים בתרחיש כפי שהוגדר בשלב דירוג צרכי לקוחות.

לאחר שמפרטים את סדר פעולות התרחיש, בוחנים מהו הטריגר שגורם למעבר בין שלב לשלב. הטריגר הוא שאלה מסוג "כיצד נדע", כיצד נחליט", "כיצד נפעיל".

ניתוח פונקציונלי באמצעות FAST
, כדי להסביר את שיטת FAST לניתוח פונקציונלי (Functional Analysis System Technique) הכי נוח יהיה להשתמש בדוגמא: נתבונן שוב בבקבוק שהופיע קודם ונשאל את עצמנו: אילו עוד פונקציות ממלא הבקבוק - פרט להיותו אוצר נוזלים?

• האם חשוב שהבקבוק יהיה נוח לאחיזה?
• האם חשוב שהבקבוק יהיה נעים למגע?
• האם חשוב שהבקבוק יהיה מבודד חום?
• האם חשוב שהבקבוק יהיה שקוף למראה?
• האם חשוב שהבקבוק יהיה מד כמות נוזל?
• האם חשוב שהבקבוק יהיה ניתן למילוי/ריקון?

יש הפרדה בין מה שנתפש כפונקציה בסיסית, Product function, לבין פונקציה תומכת, Product sub-Function. המטרה של ניתוח באמצעות FAST היא להעלות את כל הפונקציות - בסיסיות ומשניות - שיספקו את צרכי הלקוח, ומתוכן להבדיל בין פונקציות בסיסיות לפונקציות תומכות:

• פונקציה בסיסית: חיונית לביצוע תפקוד/מטלה/משימה של המוצר.
• פונקציה תומכת: לא חיונית לביצוע תפקוד, אבל חיונית להבטחת שביעות רצון הלקוח

חשיבות הפונקציות התומכות היא גבוהה: הפונקציות התומכות הן שיוצרות את הבידול בין המוצר שלנו למוצרי המתחרים. הן מדגישות את איכות המוצר, את הערך ללקוח, הן מתייחסות לציפיות הלקוח, ומהוות את הבסיס לבחירת הלקוח במוצר.

ניתוח פונקציונלי באמצעות מידול פיזיקלי
מידול של חוקי הפיזיה והכימיה, המבטאים את המשימה של המוצר, מבלי להיכנס להיבטי הפתרונות, כאשר ההתבוננות היא מנקודת הראות של המוצר. מבצעים הערכה כמותית של מימדי הבעיה: גדלים פיזיקליים, כוחות, מומנטים, אנרגיות.

ניתוח פונקציונלי באמצעות מידול לוגי
בונים תרשים זרימה (Flowchart) של פעולת המוצר. תרשים זרימה מאפשר לזהות מצבי מערכת ומעבר בין מצבי מערכת,טריגרים, נקודות החלטה, ביצוע פונקציות חשובות.

ניתוח פונקציונלי בשיטת FFD
ניתוח בשיטת Function Flow Diagram) FFD) הוא אחד הכלים המהירים והחזקים הקיימים כדי לפשט פונקציות של מוצר שהוא מערכת משובצת מחשב. זהו תרשים זרימה של רשת הפונקציות המרכיבות את המערכת. המידול וההפשטה הפונקציונלית נעשים בשני שלבים: שלב "המערכת בסביבתה" ואחרי שלב FFD0.

בשלב "המערכת בסביבתה", משרטטים בלוק ורושמים בתוכו "המערכת". בצד ימין משרטטים חצים החוצה, ולכל חץ רושמים מהו הפלט הרצוי מן המערכת. בנוסף, פלטים שמגיעים לאותה זהות משתמש ניתן להוביל למשתמש ספציפי או מערכת אחרת ספציפית. מצד שמאל, אנו משרטטים חצים שנכנסים אל המערכת, ולכל חץ רושמים קלט אל תוך המערכת. גם את הקלטים ניתן לייחס למשתמש/תת-מערכת אחרת.
חשוב לזכור לציין גם פלטים וקלטים משתמעים כגון: אנרגיה להפעלה, חומרים להפעלה, משאבים להפעלה, חומרי פליטה ביציאה, זיהום/רעש/לכלוך ביציאה, וכדומה.

בשלב FFD0, אנו מנסים למצוא אילו פונקציות ימירו את הפלטים לקלטים. אלו למעשה פונקציות בסיסיות של המוצר. אפשר גם למצוא פונקציות משניות - אלו בד"כ יהיו קשורות לאופן שבו נקבל את הקלטים. לצורך ניתוח מתקדם יותר, בוחרים פונקציות בסיסיות ובונים להן פישוט בשלב FFD1, וכן הלאה.

לרוב התוצאה שתתקבל תהיה מהצורה הבאה:
• בעיות חישה: נמצא אותן בצד הכניסות Input
• בעיות בקרה: נמצא אותן בתוך תרשים FFD
• בעיות הפעלה: נמצא אותן בצד היציאות Output

דוגמא: פישוט פונקציונלי בשיטת FFD - תרשים "המערכת בסביבתה"

דוגמא: פישוט פונקציונלי בשיטת FFD - ניתוח ברמה FFD0

גיבוש רשימת בעיות התכן הבסיסיות
לאחר שביצענו הפשטה של בעיות תכן באמצעות השיטות לעיל, הכי נוח לסכם את כל בעיות התכן לטבלה, שבה ננסה גם להתאים בעיות דומות שעלו במודלים שונים.

התוצר של שלב זה הוא הגדרה של בעיות התכן הבסיסיות. התוצאה תהה רשימה של בעיות התכן הבסיסיות שהמוצר צריך לפתור, מתוארות בצורתן הפונקציונלית ("מה"), ומשוחררות פתרון (ללא "איך). בעית תכן בסיסית תוגדר בצורת שאלה ותכיל תיאור פונקצינלי.
ההמלצה היא לבחור 7 ± 2 בעיות תכן.

מציאת עקרונות פתרון
כעת מחפשים פתרונות לבעיות התכן הבסיסיות. הפתרונות יהיו בצורה של "עקרונות פתרון" (Working Principles), ושילוב של עקרונות פתרון שונים לבעיות התכן הבסיסיות צריך להיות כזה שהם ישתלבו יחד לפתרון מוכלל. עקרון פתרון חייב לתת מענה לבעיה הפיזיקלית, וכן להתאים מבחינת גאומטריה, חומרים וכד'.

המטלה העיקרית היא מציאת מגוון של פתרונות פיזיקליים, ובחירה בעקרון או בעקרונות שיתנו את המענה הטוב ביותר לבעית התכן. אפשר לשאול "האם בחירת/החלפת עקרון הפתרון באחר יתרום ליצירת מוצר טוב יותר?

למשל, עבור פונקציה של "מדידת טמפרטורה" האם הכי כדאי להשתמש במד-חום מבוסס נוזל, מד-חום מבוסס לייזר, או מדחום מבוסס התפשטות טרמית?

• המטרה: יצירה של מגוון רחב של פתרונות עקרוניים לבעיות התכן הבסיסיות

איפה אפשר למצוא פתרונות?

ספרות מקצועית וקטלוגים - בעיקר לבעיות תכנון. ניתן לחפש פתרונות בספרות, קטלוגים, מוצרי המתחרים, פטנטים שפוקעים

חיקוי פתרונות מהטבע - מציאת השראה מעקרונות שפועלים בעולם הטבע: כימיה, ביולוגיה, פיזיקה. למשל: מבנה חלת דבש להפחתת משקל והגדלת קשיחות במטוסים

ניתוח מערכות קיימות - בדיקה של פתרונות קיימים ו"הנדסה לאחור" של תתי-מערכות שקיימים במוצרי שוק כדי לקבל עוד השראה על עקרונות אפשריים

מהו פתרון יצירתי?
יצירתיות פונקציונלית היא יצירתיות עם מטרה: אנו רוצים למצוא פתרון שיענה על הצורך. פתרון יצירתי צריך לכלול את ארבע התכונות (Attributes) הבאות:
1. תכליתי (Effective): מבצע את הפונקציה הנדרשת; מספק את צרכי הלקוח; מעשי ליישום
2. חדשני/מקורי (Novel): קשה לחיזוי; קשה לחיקוי; ייחודי
3. אלגנטי (Elegant): בנוי היטב; נראה טוב; שלם
4. גנרי (Generic): משתלב בקלות בסביבות שונות; מתאים לבעיות רבות

דוגמא: עד כמה כל אחד מהפתרונות הבאים הוא תכליתי? חדשני? אלגנטי? גנרי?

שיטות למציאת עקרונות פתרון
השיטות הקיימות למציאת עקרונות פתרון הן: שיטת דלפי, סיעור מוחות, הנדסה לאחור, חשיבה המצאתית. כיוון שמציאת עקרונות פתרון נעשות פעמים רבות בקבוצה, כדאי לקרוא כיצד להימנע מהטיות בעת קבלת החלטות בקבוצה.

שיטת "דלפי"
שיטת דלפי (Delphi Technique) היא שיטה למציאת פתרון על ידי מומחים. פתרון התחלתי עובר איטרציות רבות שוב ושוב עד לקבלת פתרון מוגמר. שיטה זו דורשת זמן ומשאבים ואינה מתאימה בתהליך פיתוח שבו הזמן לשוק הוא קריטי.

סיעור מוחות
סיעור מוחות (Brainstorming) הוא תהליך של העלאת רעיונות, דעות, תחושות ונתונים לגבי נושא מסוים בקרב קבוצה באופן אסוציאטיבי וחופשי, שוטף וללא ביקורת. המטרה היא לאסוף כמה שיותר מידע בפרק זמן קצר.

בשלב הראשון, מעלים המשתתפים כמה שיותר רעיונות בנוגע לבעיה או לצורך שמוצג בפני הקבוצה. המטרה היא לגרום לשרשרת של רעיונות רבים, חופשיים, "משוגעים", אסוציאטיביים, כדי לקבל כמה שיותר אפשרויות ועקרונות פתרון.
בשלב זה יש להימנע או מלשפוט רעיונות, לא להגביל מראש בגלל יכולות/תקציב/זמן, וכדומה.
המטרה היא לקבל דיון חופשי ופתוח בסגנון "אם היינו יכולים לפתור את זה איך שהיינו רוצים, מה היינו עושים?"

בשלב השני מבצעים סינון והערכה של הרעיונות מהשלב הראשון. מנפים רעיונות מגוכחים, משפרים ומייעלים רעיונות מעניינים, מצרפים כמה רעיונות יחד לקבלת רעיונות משופרים חדשים, וכד'. השיטה היא לומר "כן, אם..." ולא לומר "לא, כי...".

חשיבה המצאתית
TRIZ, "חשיבה המצאתית שיטתית לפתרון בעיות טכנולוגיות" (Teoriya Resheniya Izobretatelskikh Zadatch) היא שיטה לפתרון בעיות שפיתח המהנדס והממציא גנריך אלטשלר. אלטשולר בחן אלפי פטנטים וגילה שלכולם יש עקרנות משותפים.

אלטשולר מצא כי כל המצאה נובעת מהפעלת אלגוריתם חשיבה אשר תוצאתו : יצירת טכנולוגיה מתקדמת. שיטות הפעולה לפי שיטה זו, מבוססות על ההנחה שיישום עקרונות שנלמדו מפתרונות קיימים, על בעיות לא פתורות, מעלה את הסיכויים להגיע לפתרונות יעילים.

עקרון בסיסי במתודולוגיה זו הוא "עקרון העולם הסגור", לפיו פתרון יצירתי לבעיה לא אמור לכלול מרכיבים מחוץ לעולם הבעיה. פרט לעקרון זה כוללת המתודולוגיה ארבעה תכסיסי חשיבה להמצאת פתרונות יצירתיים:

תכסיס האיחוד - שימוש חדש (שונה מהשימוש המקורי) למרכיב קיים בעולם הבעיה בעת הפתרון
תכסיס ההכפלה - הוספת מרכיב נוסף לעולם הבעיה, דומה לרכיב הקיים בו, לרוב לצורך התמודדות נגדו
תכסיס החלוקה - פירוק של מרכיב קיים בבעיה למספר תת-רכיבים, והתמודדות עם כל אחד מהם בנפרד
תכסיס שבירת האחידות - הפרדה בין תכונה אחת של מרכיב בבעיה לבין תכונה אחרת שלו או לבין הסביבה החיצונית לו

יישום של תכסיסי המחשבה:
• לחפש אנלוגיות ודברים דומים
• להפוך: לעצור את הנע, להניע את העומד, לסובב, תמונת ראי
• להגזים - מה יקרה אם זה יהיה מאוד גדול או מאוד קטן
• להפוך את הסדר: מהאחרון לראשון, תוצאה קודמת לסיבה, לשבור את הקשר בין סיבה ומסובב
• לצאת מחוץ למגבלות פיזיות, בזמן, במקום

מבנה המוח וחשיבה יצירתית:
צד המוח הימני הוא שנחשב ל"שר הפנים", וככזה הוא אחראי על התפקוד הפנימי של הגוף. מסיבה זו אין בו יכולת ביקורתית ושיפוטית מדובר בצד אינטואיטיבי, עם קשר מועט למילים, ראייה כוללת וחשיבה הוליסטית ללא התחשבות בזמן/קדימות אירועים, סיבה ותוצאה. הצד השמאלי עובד מהר פי 30 אלף מצד שמאל של המוח, החשיבה בו הא רגשית, ומבוססת חושים ולא ראציונל.

התת-מודע של הצד הימני של המוח הוא בעל עוצמה אדירה והוא מסוגל לפתור בעיות מסובכות, להמציא, וליצור. בחשיבה יצירתית המטרה היא להפעיל את חלק המוח הימני!

דוגמא - מבנה המוח וחשיבה יצירתית // קמפיין ל"מרצדס"

סינון והערכת פתרונות
לאחר שמצאנו עקרונות פתרון רבים לבעיות הבסיסיות, בכל השיטות שצויינו לעיל, כעת אנו ניגשים לבדוק את עקרונות הפתרון בשני מישורים: ביצועים/קלות יישום, והערכת היצירתיות הפונקציונלית.

הערכת ביצועים וקלות היישום
בהערכת הביצועים (P, Performance), נדרג כל עקרון פתרון לפי המידה שבו הוא יבצע את הפונקציה. הדירוג יהיה בסולם בין 0 ל-5, כאשר דירוג 5 הוא מצוין ודירוג 0 הוא למעשה אי ביצוע הפונקציה.

בהערכת הבעייתיות/סיכון המימוש (R, Risks), נדרג את עקרונות הפתרון לפי סיכונים ופערי ידע, ישימות הרעיון, המחיר וההשקעה הנדרשים, ושיקולי יישום (ייצור, תפעול, אחזקה). הדירוג יהיה בסולם בין 0 ל-5, כאשר דירוג 5 הוא יישום ללא בעיות, ודירוג 0 הוא יותר משתי בעיות או בעיה אחת גדולה.

הערכת היצירתיות הפונקציונלית

תכליתיות: משתמשים במדדי P, R

חדשנות: High=מעולם לא נוסה ; Medium=ידועים יישומים מעטים ; Low=יש יישומים רבים

אלגנטיות: High=בנוי טוב, מובנה ושלם ; Medium=סביר ; Low=גרוע/מגוכך

גנריות: High=משתלב בקלות ; Medium=ניתן ליישום במעט מטרות נוספות ; Low=ייחודי

דוגמא - סינון והערכת פתרונות לבעיית תכן "הפעלת בלימה"

סיכום עקרונות הפתרון בטבלה מורפולוגית
הטבלה המורפולוגית מסכמת את עקרונות הפתרון שנשארו לאחר הסינון והערכת היישומיות שלהם. הטבלה מציגה: רשימה של בעיות התכן הבסיסיות, רשימה של עקרונות פתרון לכל בעית תכן, תיאור מילולי קצר של עקרון הפתרון.

דוגמא - סידור עקרונות הפתרון בטבלה מורפולוגית