הנדסת מערכות אמל"ח - סוף מעשה במחשבה תחילה

רס"ן ד"ר אלכס בלכמן, רמ"ד טכנולוגיה וחדשנות, חיל הטנ"א28.07.2021

ערך המערכת הוא התועלת מפעולתה. בחירה נכונה של פרמטרי התכן בשלב ייזום הפרויקט והגדרת המערכת היא הכרחית, כדי להביא למימוש מערכת יעילה ואפקטיבית. מתוך הספר "הנדסת מערכות אמל"ח" שיצא לאור לאחרונה ב"מערכות"
מטוס מדגם ויגן

מטוס מדגם ויגן

בשנות ה־60 של המאה ה־20 הוחלט בשוודיה לפתח מטוס קרב חדש, ועלה חשש מפני מתקפה של הרוסים שתשתק את שדות התעופה. כדי להתמודד מול תרחיש זה הוחלט להכשיר כמה קטעי כביש שיוכלו לשמש בשעת חירום כמסלולי המראה חלופיים. לצורך התאמה לקטעי הכביש הקצרים נקבעה למטוס דרישה אתגרית ביותר לאותם זמנים: יכולת המראה ונחיתה ממסלול באורך של 500 מ' לכל היותר. כדי לעמוד בדרישה זו, תוכנן למטוס מנוע ייחודי וחסר תקדים בעולם בזמנו. המנוע כלל מנגנון הגברת האצה ומנגנון היפוך דחף. הפיתוח הסתיים בהצלחה וקיבל את השם ויגן. בסך הכול יוצרו 329 מטוסים במספר דגמים, הפרויקט עמד בציפיות ובסך הכול נחשב להצלחה גדולה.

באחד מהכנסים הבין־לאומיים להנדסת מערכות הגיעה אליי עדות על מהנדס צעיר, שהחל את עבודתו בחברת סאאב בשנות ה־80. אותו מהנדס התעניין בשאלה מה היה קורה אילו המטוס היה נבנה ללא מנגנוני הגברת האצה והיפוך דחף, בלי לשנות את שאר פרמטרי המנוע? לפי החישובים של אותו מהנדס, מטוס עם מנוע דומה ללא מנגנוני הגברת האצה והיפוך דחף היה יכול להמריא ולנחות ממסלול של 550 מ' בלבד. ברור אם כן, שאם אכן מדובר בקיצור מסלול ההמראה והנחיתה ב־50 מ' בלבד - ההישג ההנדסי כנראה איננו מצדיק את ההשקעה האדירה במחקר ופיתוח, ניסויים ובהמשך במשך מחזור החיים של המטוסים.

הנדסת מערכות בצד הלקוח:1 חשיבות שלב הגדרת המערכת

הדוגמה של המנוע מטוס הוויגן ממחישה את ההבדל בין לבנות את המערכת הנכונה ובין לבנות את המערכת נכון. לאחר שערך היעד של המראה ונחיתה ממסלול של 500 מ' נקבע כדרישה, כל שנותר הוא לבצע את הנדסת המערכות המיטבית כאשר אין ליצרן את מרחב התמרון והיכולת לבחון שוב את ההנחות המבצעיות הרלוונטיות. שלב הגדרת המערכות נדרש לשלב בין ניתוח הצרכים ובין הערכת משמעויות מערכתיות של הטכנולוגיות והפתרונות השונים. עבודה נכונה של מהנדס המערכות עשויה לחסוך זמן ומשאבים רבים וכך להגדיל את סיכויי ההצלחה של השירותים והמוצרים בפיתוח. בשלבים המוקדמים של הפרויקט, כאשר העלות שהושקעה ורמת הידע על הפרויקט היא נמוכה - קל יחסית לבצע שינויים. ככל שהפרויקט מתקדם לשלבי התכן המפורט, הייצור וההטמעה - הוודאות בנוגע לעלות המערכת הסופית ולעמידה בדרישות עולה. בד בבד עולה המחויבות לטכנולוגיה ספציפית או לשיטת העבודה שנבחרה, ויחד עם אלה היכולת לבצע שינויים הולכת וקטנה. תרשים קלסי שמדגים את הנושא הוצג על־ידי וולטר פבריקי ובנג'מין בלנצ'רד.2

עלות מול ודאות במהלך פרויקט

עלות מול ודאות במהלך פרויקט

האיור ממחיש את החשיבות של שלב הייזום. אמנם בשלב זה הגדרות היקף המשימה, התכולות, לוחות הזמנים והתקציב הן חלקיות ורק מתהוות ומתגבשות. עם זאת, זהו גם הזמן שבו מתקבלות רוב ההחלטות המשמעותיות של הפרויקט ומתגבשות התחייבויות לחלופה הנבחרת ולאופן המימוש. כבר בסוף שלב התכן הקונספטואלי קיימת מחויבות גדולה לתצורת הפתרון, לעלות ולטכנולוגיה. מצד אחר, חלק גדול מהיכולת לשינוי אבד. המצב מחמיר לקראת סוף שלב התכן הפרטני. עוד לפני תחילת הייצור, ההרכבות, הבחינה והאספקות, יכולת השינוי יורדת באופן משמעותי והמחויבות לפתרון הספציפי כמעט מוחלטת. באותו זמן, רמת הידע על המערכת נמוכה מאוד בסוף שלב התכן הקונספטואלי, ועולה בסוף שלב התכן הפרטני.

בשלבי הייזום וההיערכות למימוש, הלקוח הוא שמבצע את עיקר הפעילות של הגדרת הבעיה - חקר החלופות וגיבוש אפיון מערכתי - בעוד שמהנדסי הלקוח מגדירים את הפתרון שיידרש ליישום על־ידי התעשייה לאחר ביצוע ההתקשרות (במכרז או מול ספק יחיד). מהנדס הלקוח מבצע בחינה של נושאים וממשקים רחבים הרבה מעבר לטכנולוגיה או למערכת עצמה, כמו: הגדרה של שילוב במערך טכני קיים; תרומה לביצוע משימה וכדומה. על סמך ניתוח זה, מהנדס הלקוח מגבש את הדרישות שלפיהן תפותח המערכת, ומהן יתחיל מהנדס המערכת את שלב מיצוי הדרישות. בשלב הפיתוח רמת המעורבות היחסית של הספק והלקוח משתנה. כאשר מדובר במערכות צבאיות, צה"ל הוא הלקוח או המשתמש הסופי של החברות שאמורות לספק מוצרים או שירותים לארגון. בעלי התפקידים בצבא מובילים את הפעילות בתחילת חיי הפרויקט (בשלב הייזום וההתארגנות למימוש). מעורבות אנשי הצבא בשלב פיתוח היא נמוכה יחסית ובשלב זה ההובלה עוברת למהנדסים בתעשייה שמשקיעה את מרב המשימות בתכן של המערכת לצד ליווי מצומצם באופן יחסי של הלקוח. בשלבי הקליטה וההטמעה ההובלה חוזרת ללקוח, שקולט את המערכת ומתפעל אותה לצד מעורבות נמוכה יותר של הספק.

פעילות בצד הלקוח ובצד הספק

פעילות בצד הלקוח ובצד הספק

הנדסת מערכות אמל"ח – התאמת הפתרון לצורך

מהותה של הנדסת מערכות היא לא רק לבנות את המערכת נכון, אלא גם, ובעיקר, לבנות את המערכת הנכונה בהתאם לדרישות ולציפיות של בעלי העניין. ההצלחה של המערכת היא, בחלקה הגדול, הגדרה נכונה של הצורך ובחירה נכונה של החלופה המערכתית. אחד הכלים להתמודד עם המשימה הוא ביצוע מפת דרכים טכנו־מערכתית. במהלך הניתוח, הטכנולוגיה אמורה לפגוש את הצורך באמצעות ניתוח דו־כיווני - מלמעלה למטה ומלמטה למעלה.

בתהליך הניתוח מלמטה למעלה (כלומר מהטכנולוגיה אל רמת המערכת) בוחנים את האפשרויות הטכנולוגיות הזמינות. לדוגמה, נתמקד בתחום של מערכות הגנה לרק"ם מפני טילי נ"ט. שתיים מהמערכות הידועות בתחום הן "מעיל רוח" ו"חץ דורבן". הטכנולוגיות הבסיסיות הזמינות למערכות הגנה בתחום של גילוי שיגורי טילי נ"ט הן טכנולוגיות אופטיות, למשל גלאי SWIR (Short Wave Infra-Red) או גלאי תרמי, מכ"מיות (מכ"ם סורק או מכ"ם בוהה) ואחרות. כל טכנולוגיה ניתנת לשילוב (בדרך כלל באמצעות חברה או מכון מחקר) לכדי מוצר או תת־מכלול, כאשר ניתן לבחון גם שילובים שאינם קיימים. לאחר שלב המכלולים מגיעה רמת המערכת, שבה יש הקצאה לתחומים פונקציונליים. במקרה של מערכות הגנה - תחומים אלה יכולים להיות הגילוי, הנטרול, הבקרה ועוד. בחירה של טכנולוגיית נטרול, לדוגמה מיירט במערכת "חץ דורבן" או רסס במערכת "מעיל רוח", עשויה לאלץ תכן ולהשליך על כלל הפרמטרים המערכתיים והמבצעיים.

שכבות הניתוח - בדוגמת מערכות הגנה

שכבות הניתוח - בדוגמת מערכות הגנה

בתהליך הניתוח מלמעלה למטה מתחילים מהגדרת הצורך המבצעי. בהתייחס למערכות הגנה, צורך אפשרי הוא מעבר רק"ם בסביבה רוויית טילי נ"ט. הצורך אמור להיות מוגדר במושגים המנותקים מהפתרון. אם הצורך מנוסח כך - הדבר יאפשר בחינה של כמה גישות מלבד מערכת הגנה, כמו שיפור יכולות המודיעין והאש. מצד אחר, הצורך אמור להיות תחום יחסית, אחרת הגדרה כמו "הכרעה בתמרון היבשתי" עשויה להביא לדיון רחב מדי ולא תוכל לשמש לניתוח הנדסי יעיל. הגדרה מדויקת וממוקדת של הצורך מאפשרת בחינה של מערכות אפשריות והתועלת המבצעית שלהן ברמת על, ולאחר מכן ירידה לפרטים של מכלולים וטכנולוגיות. בסיכום של תהליכי הניתוח מלמטה למעלה ומלמעלה למטה אמורה להתקבל מפת דרכים, שמאפשרת לראות את כל הפתרונות האפשריים ולנווט אל החלופה האופטימלית תוך שקלול כל האפשרויות האחרות. כל חלופה תהיה מורכבת משילוב של מכלולים. לדוגמה, חלופה מערכתית א' יכולה לכלול מכלול גילוי אופטי המבוסס על טכנולוגיית SWIR. חלופה ב' יכולה לכלול מכלול גילוי המבוסס על מכ"ם סורק ומכלול יירוט מבוסס רסס וחלופה ג' יכולה לכלול גלאי תרמי ומיירט הלם.

מפת דרכים - תרשים עלות מול ביצועים

מפת דרכים - תרשים עלות מול ביצועים

הצורך מתפתח יחד עם התקדמות הפתרון, והפתרון משתנה יחד עם ניתוח הצורך. לכן, התהליך המיטבי בהנדסת מערכות נדרש להיות איטרטיבי ודו־כיווני: מלמעלה למטה ומלמטה למעלה. מצד אחד, כדאי לאתגר כל דרישה ולשאול: מה המינימום שיספק את הלקוח, מה מקור הדרישה והאם ניתן להסתפק במוצר מדף אפילו אם הוא לא עונה על חלק מהצורך? מצד אחר, יש לעקוב אחרי הזדמנויות טכנולוגיות ולעדכן במידת הנדרש את האפיון והארכיטקטורה של הפתרון. דוגמה טובה לבחירה בין חלופות טכנולוגיות בשלבי ייזום היא מערכת "כיפת ברזל". שתי הצעות שהוגשו בשלבים הראשוניים של ניתוח המערכת במשרד הביטחון היו שדרוג וירי אנכי של טילי נ"ט, והתאמות של רקטות ארטילריות גדולות. מלבד ההצלחה הברורה של המערכת שנבחרה לבסוף, כל בחירה אחרת של טכנולוגיה, מכלול ומוצר בסיס הייתה מטה את המערכת לביצועים שונים לגמרי.

סיכום

ערך המערכת הוא התועלת מפעולתה. משמעותו רחבה יותר מעלות המערכת ומציינת את השיפור הצפוי או הנצפה בסביבה המבצעית או העסקית כתוצאה מהמערכת או המוצר. בחירה נכונה של פרמטרי התכן בשלב ייזום הפרויקט והגדרת המערכת היא הכרחית, כדי להביא למימוש מערכת יעילה ואפקטיבית. ניתוח הצורך באמצעות מפת דרכים טכנו־מבצעית מאפשר להציג את הבעיה מזוויות שונות ולבנות לה חלופות להערכה.

* ספרו של ד"ר אלכס בלכמן, הנדסת מערכות אמל"ח, יצא לאחרונה לאור ב"מערכות" ומונגש במלואו בתצורה דיגיטלית. לקריאת הספר לחצו כאן

הערות

  • המונח "הנדסת מערכות בצד הלקוח" (לעומת ראייה מסורתית של הנדסת מערכות בצד הספק) הוצג על־ידי המחבר במאמר "אתגרי הנדסת מערכות בצבא - מבט מצד הלקוח", שהוצג בכנס הבין־לאומי השמיני להנדסת מערכות, הרצליה, 2015.

  • Benjamin S. Blanchard & Wolter J. Fabrycky, Systems Engineering and Analysis, (3rd Edition), Prentice Hall, 1998, Figure 2.11.