基于本体论的项目全景模型建模及其在电网项目管理中的应用

2021-12-10沙宇恒邓春宇罗凤章

电力系统及其自动化学报 2021年11期

吴强，沙宇恒，邓春宇，罗凤章

（1.国网江苏省电力有限公司，南京 210024；2.国家电网有限公司，北京 100031；3.中国电力科学研究有限公司，北京 100192；4.天津大学智能电网教育部重点实验室，天津 300072）

作为连接能源生产与能源消费的桥梁和纽带，电网企业在“构建清洁低碳、安全高效的能源体系”、“推进能源生产和消费革命”中承担着重要的平台支撑和推动引领作用。在我国当前社会、经济、环保、电改等新形势下，国家电网提出“一体四翼”发展战略布局，全面推进企业高质量发展。项目管理是全面落实企业发展战略、提高企业管理精益化水平、加快企业现代化转型的重要抓手。当前，电网企业项目管理主要采取“综合计划+专项计划”的矩阵式管理模式，由项目综合管理部门进行统筹管理，专业部门并行对各专项进行项目管理。这样的管理方式在一定程度上解决了专业管理复杂度高、专业性强等问题，然而由于各专项项目的管理主要采用的是相对独立的专业系统，项目数据缺乏统一规范，不可避免地存在项目信息多源异构、项目内容重复和表述颗粒度不一致等问题[1]，无法为电网企业全口径、全环节、全覆盖的项目一体化管理提供全局规范一致的数据信息。

为适应高质量发展的项目管理新模式，国家电网开展项目管理中台建设，通过信息化手段深化项目管理措施，将各专业基础的、共性的、稳定的项目管理业务功能固化形成共享服务沉淀到中台系统中，形成灵活、强大的共享服务能力，重点从项目储备、计划、执行、评价、资源、流程、合规、管理创新、生态方面构建项目管理业务中心[2]。这里的“中台”是相对于传统信息系统架构中的“前台”界面和“后台”管理而言的，是将数据或服务等加工以后封装成一个公共的数据产品或服务，即中台就是公共服务平台。为规范企业项目管理中台与企业数据中台和其他业务中台的信息交互操作标准，有必要研究提出与之相适应的企业级项目管理多维全景统一信息模型。

所谓的信息模型是一种用来定义信息常规表示方式的方法。常用的信息模型建模方法一般可分为面向过程的结构化方法和面向对象方法两大类。两类方法均需要建模人员对领域知识具有清晰完整的认知。为辅助领域知识的一般化表达，哲学领域有关“存在的本质”的“本体论（ontology）”概念被引入计算机和信息科学领域，形成了基于本体的建模方法，目前已广泛用于知识工程、系统建模、信息集成等众多领域[3-6]。作为一种知识建模方法，基于本体的建模方法既可以描述领域概念术语，又能够表达概念间的内在联系，可以实现不同概念之间的集成和转换，保持语义上的一致性，同时能够通过本体的推理机制消除不同领域的重复定义[7]，发现其中隐含的关系，适合具有跨专业跨流程的电网企业全类别全过程项目管理信息模型的信息描述。

鉴于此，本文提出一种基于本体建模理论的电网企业项目管理多维全景统一信息模型。首先，基于本体概念，将信息模型建模问题分解为基于领域事实知识的结构本体与应用本体的组合模型构建问题，实现领域信息模型建模的规范化表达；其次，回归项目管理本质特征，考虑电网企业项目特点和高质量发展要求，构建逐级拓展的项目多维立体化全景统一信息模型，覆盖全类别全过程的项目管理域模型的分层多维度，具备插排式分层灵活扩展特性；最后，结合国家电网SG-CIM模型框架[8]，通过国家电网某省实际配网规划项目库、储备项目库和计划项目库的数据，分别展示了项目规划、储备和计划视角的实际支撑应用效果。

1 基于本体理论的模型建模方法

1.1 本体与领域本体的基本概念

所谓的本体，通常是指共享概念模型的、明确的、形式化规范说明[9]，是实现机器自动推理和智能化高级信息服务的基础[10]。本体构建是一项复杂的系统工程，往往需要熟悉某一问题领域的领域专家、需求分析人员和系统分析人员等各方按照一定的方法，采用适当的工具协作完成。

针对特定问题领域的本体称之为领域本体（domain ontology），描述特定领域中的概念和概念之间的关系，提供某个专业学科领域中概念的词表以及概念间的关系，或在该领域里占主导地位的理论[9]。领域本体可以表示为一个5元组[11]，即

式中：Ontology代表本体；C、R、F、A和I分别为本体中的概念、关系、函数、公理和实例的集合，也被称为5个基本的建模原语。

按照领域本体所蕴含的概念知识的层次不同，可将一个领域本体划分为一个结构本体和若干个应用本体的组合形式[12]，如图1所示。

图1 本体模型的构成Fig.1 Composition of ontology model

图1中，结构本体只包含领域相关的基础概念和事实类型，描述领域的框架结构知识；应用本体反映领域中某一类业务的相关知识，包含业务相关的概念、事实类型以及限定概念和事实类型的合法实例空间的各种约束。应用本体中的概念和事实类型也可称为业务的结构本体，是领域结构本体的一个子集，可直接通过重用领域的结构本体获得。不同应用本体之间相互独立，不存在依赖关系。在具体的信息化系统如项目管理信息系统中，可根据需要重用一个或多个应用本体来实现不同的业务应用。

1.2 领域本体的构成与表达

对应图1给出表征领域本体的相关定义。

定义1：领域本体由一个结构本体和多个应用本体构成。

若以Ontology表示领域本体，S-Ontology表示领域的结构本体，A-OntologyS表示领域的应用本体集，那么Ontology=（S-Ontology，A-OntologyS）。

定义2：结构本体包含概念集和事实类型集。

若使用C表示某个概念，CS表示概念集，FT表示某个事实类型（即概念之间的关系），FTS表示事实类型集，则S-Ontology=（CS，FTS）。若概念集CS包含m个概念，Ci表示第i个概念，则CS=⋃Ci(i=1,2,…m)；若事实类型集FTS包含n个事实类型，FTj表示第j个事实类型，则FTS=⋃FTj(j=1,2,…n)。

定义3：A-Ontologyk表示领域的第k个应用本体，若领域有n个应用本体，则应用本体集可表示为：A-OntologyS=⋃A-Ontologyk(k=1,2,…n)。

定义4：对于领域的第k个应用本体AOntologyk，其中的概念和概念集分别用A-Ck和ACSk表示，事实类型和事实类型集识别用A-FTk和A-FTSk表示。若概念集A-CSk包含m个概念，A-Ck,i表示其中的第i个概念，则A-CSk=⋃A-Ck,（ii=1，2，…，m）。若事实类型集A-FTSk包含n个事实类型，A-FTk,j表示第j个事实类型，则A-FTSk=⋃AFTk,j(j=1,2,…,n)。应用本体的所有概念和事实类型都是从结构本体继承的，所以A-CSk⊆CS，AFTSk⊆FTS。

定义5：对于领域的第k个应用本体AOntologyk，其中的约束和约束集分别用Axiomk和AxiomSk表示。若约束集AxiomSk包含n个约束，Axiomk,i表示第i个约束，则 AxiomSk=⋃Axiomk,i(i= 1,2,…,n)。

1.3 面向事实的领域本体建模方法

在图1所示的本体模型中，结构本体由领域概念与事实类型构成，可以使用自然语言加以解释与明确；而应用本体则继承结构本体内容，结合某类业务或维度对应的应用及相关约束规则，完成对具体应用的描述。结构本体和应用本体的构建均需要以领域知识为基础进行操作。

领域事实知识代表领域本体建模对象相关领域所包含的特有知识，具体可分为领域知识与本体论知识两大类。例如，项目管理应用领域中，领域知识即为项目管理主要内容及相关参数，本体论知识则包括所采用的本体建模规则、建模方法等。其与领域本体的关系如图2所示。

图2 领域本体模型结构Fig.2 Structure of domain ontology model

基于领域知识支撑的结构本体和应用本体构建流程如图3所示。具体流程见文献[12]。

图3 本体建模流程Fig.3 Flow chart of ontology modeling

2 项目管理本质特征与电网企业项目特点

2.1 项目及项目管理本质特征

依据美国项目管理学会的定义，“项目”是为完成某一独特的产品和服务所做的一次性努力，具有以下鲜明的特征：①特定的预定目标；②时间、财务、人力及其他限制条件等资源约束特性；③专门的项目组织；④复杂性和一次性。项目的基本参数包括项目范围、质量、成本、时间和资源。

项目管理是指在项目投资决策开始至项目结束的全过程项目活动中，为在有限资源限定条件下实现设定的一系列目标，运用专门的知识、技能、工具和方法，对项目活动涉及的全部工作进行有效地计划、组织、指挥、协调、监测、控制和评价管理的过程。从项目活动过程来看，项目管理涉及的全过程管理节点一般包括项目规划、项目决策、项目实施、项目终结与后评价等多个阶段。从项目活动涉及的管理内容来看，项目管理包括范围管理、进度管理、设计管理、费用管理、施工管理、采购管理、综合管理、资源管理、信息管理和风险管理等多项内容。其核心在于项目范围、投资成本、时间进度的管理。

2.2 电网企业项目特点

与一般工程项目相比，电网企业项目具有投入规模大、数量多和范围广等特点，各类项目涉及业务领域差别较大，管理复杂程度很高。当前电网企业项目管理采用的是矩阵式管理模式，涉及管理层级多、管理范围广、跨专业管理系统多。由于缺乏统一规范的信息标准，各专业项目管理系统间的项目内容重复，信息交互困难，严重制约了电网企业项目全范围、全过程、全寿命管理科学性、精准性、有效性的提高。从项目管理统一信息模型设计的角度来说，电网企业项目具有如下特点。

（1）数据多源异构特性。电网企业项目的数据信息来源于规划计划系统、生产管理系统、营销项目管理系统、科技管理系统、人力资源管理系统、ERP系统等多个专业系统，各专业系统的数据模型不统一，缺乏唯一数据源，导致业务数据存在多头重复存储的问题。项目在执行过程中，需要发展部、财务部、设备部、营销部、后勤部、互联网部、科技部、产业部等多个部门配合，各部门交互过程中存在分头操作的问题，缺乏高效率。

（2）管理内容复杂特性。电网企业项目涉及电网基建、电网小型基建、生产技改、生产辅助技改、零星购置、生产大修、生产辅助大修、研究开发、电力营销投入、电网信息化、管理咨询、教育培训、产业基建、产业技改、产业大修、股权投资等专项类别，各专项类别还会根据专项项目管理特点细分为不同的项目类型。不同类别项目都可能具有其独特的项目管理内容侧重点和管理特征，管理复杂度高，同时总部、网省、地市、区县各级别项目主体针对各专项类别项目所关注的内容和重点亦存在较大差别。

（3）全生命周期特性。电网企业遵循项目专项管理制度，按照项目规划、项目储备、项目计划、项目执行、项目评价等环节执行项目全生命周期管理。其中，在项目规划阶段，重点关注规划项目的需求匹配与准入条件，实现各专业规划成果的归集入库，衔接项目储备环节；在项目储备阶段，重点关注储备项目的可行性与总量控制，实现各专业储备项目的归集评审和优选论证；在项目计划阶段，重点关注各类计划项目的组合优化平衡与投资优化分配，支撑各专业计划“事前”、“事中”、“事后”管理业务的完成；在项目执行阶段，着力完成各类投入项目执行过程的风险识别与精准过程管控；在项目评价阶段，完成各类项目的投入产出的效率效益分析评价。

3 基于本体的电网企业项目管理统一全景信息模型

结合电网企业项目管理领域事实知识，依据包括结构本体与应用本体的领域本体建模思路，构建电网企业项目管理多维全景信息模型。建模示例如图4所示。

图4 领域本体建模示例Fig.4 Example of domain ontology modeling

3.1 领域本体模型的框架构建

首先，依据项目及相关管理的基本要义特征构建项目信息模型的结构本体，以自然语言描述其相关的概念C与事实知识FT，如项目定义、项目目标、项目参数等。然后，考虑电网企业项目管理区别一般工程项目的特点，项目管理涉及的电网企业基础业务架构、业务边界、信息系统边界、SG-CIM模型框架等约束，继承并扩展结构本体，描述其相关的应用概念A-C、事实知识A-FT和应用约束Axiom，形成项目信息模型的应用本体描述，如表1所示。

表1 电网企业项目领域本体描述（部分）Tab.1 Domain ontology description of power grid enterprise project（partial）

表1的电网企业项目管理的领域本体描述形式，也可以表达为如图5所示的框架模型。

图5 基于本体建模描述的项目信息模型Fig.5 Project information model based on ontology modeling description

需要说明的是，图5中，本文依据一般项目和项目管理的定义，将通用项目的基本描述信息分解为项目基本信息、项目范围信息、项目进度信息和项目投资信息4部分，这是本文模型建模的基础。其中，基本信息部分包括标识某一项目的基本信息集合，如项目名称、ID、项目干系人信息等；范围信息部分包含项目所需要提交的最终产品或可交付成果，即项目目标相关的描述信息，以及为实现项目目标所需开展的各项具体工作信息和相关资源信息的描述信息集合；进度信息部分包含项目寿命期内与项目工期相关的时间计划安排、进度状态等描述信息的集合；项目投资信息部分包含为实现项目预期目标所涉及的全部资金投入、费用计划、费用进度相关的描述信息集合。

3.2 统一全景信息模型的描述

由前述有关项目本体模型的建模表述可知，应用于电网企业项目管理领域的项目描述信息涉及项目目标、项目有关人财物资源约束、项目进度、项目费用等相互独立或相互关联耦合的诸多方面，每一方面的表述信息根据实际管理工作场景需要还可进一步细化为一系列更细颗粒度的信息表达，也即从建模角度来说，项目的信息模型实际上是一个多维信息模型。

若将其中的一些关键类或关键项描述信息视作数学空间上的一个维度，描述项目或项目管理信息的全部信息将组成一个高维立方体的形式。

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以空间Ω表示项目信息模型高维空间，其由诸多关联信息子空间组成。定义子空间ΩP、ΩH、ΩK、ΩT分别表示项目通用项目管理的基础信息维度、总部/网省/地市/区县多层级项目管理的管理层级维度、全类别项目管理的项目类别维度、项目生命期维度的信息描述子空间，则项目管理的信息模型可以表示为向量ΩP、ΩH、ΩK、ΩT叉乘构成的高维张量空间形式，即

随着企业管理创新发展，式（1）所示的应用信息维度还可以根据需要进行进一步的拓展为更多维度构成的张量子空间的形式。式（2）～式（6）中ΩH、ΩK、ΩT所代表的管理层级、项目类别、生命周期3类应用维度的组合亦可表示为如图6所示的三维立方体模型的形式。

图6 项目信息模型的多维立方体示意Fig.6 Schematic of multi-dimensional cube of project information model

图6中，项目管理层级维度涵盖电网企业项目管理组织结构对应的总部、网省、地市、区县层级，每个层级还可以拓展细分得到管理部门、部室、班组等更细颗粒度的组织结构。项目类别维度涵盖基建、技改、大修等大项分类，每一大项分类根据管理工作实际情况均可以拓展得到更细颗粒度的一级分类及其下属的二级分类等。同样，项目生命周期维度对应的规划、储备、计划、执行、评价每一阶段亦可以拓展得到对应的细分管理节点及子节点。每一维度及其细分维度代表项目管理者所关注的某一特殊视角。所有维度及其拓展得到的多级细分维度的集合，将构成表征项目管理信息多视角全景特征的高维立方体形式。项目信息模型的多维全景示意如图7所示。

图7 项目信息模型的多维全景示意Fig.7 Multi-dimensional panoramic form of project information model

图7所示的项目管理多维全景立方体信息模型，能够支撑项目多方位的信息表达、特征分析和价值挖掘。例如，基于项目全维信息在某一单一维度平面的投影，代表以维度视角进行观察，能够方便地得到该平面上其他维度的对应信息结果。同样，基于项目信息在多个维度组合对应空间的投影，也可以得到所需要关注的具体的项目信息方面。通过改变维度的颗粒度，即所需关注的视角宏微观程度，可以实现对项目管理信息多角度多层次的深入分析和总体把握。

3.3 信息模型的伸缩扩展与迭代更新模式

分析项目管理的业务特点可知，对于处于总部/网省/地市/区县不同层级的管理者，针对不同类别的项目及处于不同管理阶段的项目，从不同视角来看，其所关注的管理内容详细程度和侧重点均有所不同。这意味着，以图6所示的管理层级、项目类别、生命周期维度所代表的项目信息的组合立方体模型形式，需要具备较强的可伸缩和可拓展能力，以支持全范围、全过程、全寿命项目管理业务需求的实现以及信息模型版本自动更新迭代的需要。

模型的伸缩拓展包括单一维度的伸缩拓展以及维度上的节点伸缩拓展2种形式。所谓的维度伸缩拓展，是指在某单一维度上，该单一维度空间视角与该维度下更细粒度多维度组合空间视角之间的伸缩拓展转化，例如项目类别维度上的所有专项项目类型在实际工作中均有其细分的项目类型维度。节点伸缩拓展是指在某一维度上的某一节点宏观视角与该节点所需要细化的细粒度多维空间时间之间的伸缩拓展转化，例如在项目规划、储备、计划等不同管理节点，均有所需要关注的不同细化管理表单。

当关注某一特定维度的信息时，基于切空间理论，可以将高维信息投影到只包含所需维度的低维空间，以发现隐藏在高维观测数据中有意义的低维结构。以图6的三维立方体模型为例进行说明。以管理层级作为关注维度，可以拓展得到管理部门、配合部门等维度向量组成的张量子空间；以项目类别作为关注维度，可以拓展得到专业系统、专项类型等维度向量组成的张量子空间；以生命周期作为关注维度，可根据对应的环节，拓展得到对应的维度向量，以计划环节为例，可得到计划类别、预安排类型等维度向量组成的张量子空间。以项目类别维度为例，项目类别向量空间ΩKi可以扩展得到张量子空间，即

以映射得到的低维空间作为新信息空间，以更细化的颗粒度对关注维度信息进行分析，在此基础上通过维度信息向量空间向细粒度维度空间的扩展，可以实现在某一特定视角下由粗粒度层次到细粒度层次的信息扩展表达，完成所关注视角下的模型拓展。此时，项目信息模型空间Ω拓展为Ω′，表示为

根据式（8）和式（9），针对某一视角维度的扩展，仅需将对应维度的信息向量空间拓展为其粒度细分维度向量所构成的张量子空间即可，无需对模型的其他部分进行修改，体现良好的灵活扩展特性。基于此，也能够方便地实现模型版本的自动更新迭代。

4 电网企业项目管理信息模型应用

结合国家电网SG-CIM模型，实现基于领域本体建模技术的项目统一信息模型在项目管理中台的应用。首先构建基于SG-CIM项目域框架与本体建模理论的项目管理统一信息模型体系，将其应用于国家电网项目管理中台。

4.1 基于SG-CIM的项目管理统一信息模型

SG-CIM模型基于IEC61968/IEC61970系列标准，定义了国网公司范围内全部信息系统所需要遵循的标准数据模型及接口规范[13-14]。其中，项目域模型如图8所示，包括项目公共包、项目规划、项目计划、项目预算、项目执行、项目评价共6个二级主题域[15]。

图8 SG-CIM项目域模型Fig.8 Domain model of SG-CIM project

基于SG-CIM项目域框架，首先基于图5所示的通用信息模型建模思路，建模包括项目名称、项目编码、建设内容等基础信息的项目通用信息部分，具体的模型构建步骤可参考第3.1～3.3节）；然后拓展构建项目类别维度和项目管理周期维度信息空间，形成电网企业项目管理多维全景统一信息模型，以支撑企业项目管理中台与数据中台以及客户服务中台、电网资源中台、财务中台业务的信息服务交互，如图9所示。限于篇幅，这里仅给出按照张量子空间多维立体模型形成的思路拓展得到的涵盖项目规划、项目储备、项目计划、项目执行、项目评价全生命期项目管理视角的统一信息模型体系的局部，如图10所示。

图9 项目管理中台信息交互Fig.9 Information interactions at project management center

图10 基于SG-CIM项目域框架的项目管理统一信息模型体系（局部）Fig.10 Unified information model system of project management based on SG-CIM project domain framework（partial）

图10所示的模型框架较清晰地反映了电网企业项目管理各阶段的管理内容侧重点，模型信息具有随生命周期维度逐阶段扩展更新迭代的特点。

4.2 面向中台的项目管理信息模型应用

以我国东部某省2020年实际配网规划项目库、储备项目库和计划项目库的数据为例阐述应用效果。上述3个库均基于图10的信息模型体系搭建，其中，“十四五”电网基建、生产技改、电网小型基建、生产辅助技改、电力市场营销、零星购置、电网数字化等7类专项规划项目，共计28 457项，各专项项目的数量信息如表2所示。

表2 专项项目数量统计（部分）Tab.2 Statistics of number of special projects(partial)

选取其电网基建专项中某10 kV配网项目“XX省XX市XX区10 kV开文Ⅲ回线新建工程”的具体建模描述信息，如图11所示，展示本文模型的实际应用效果。对比图11规划信息部分的实际项目描述信息和图10规划信息部分的模型标识信息，可以看到，图11实际上是图10的全维信息模型在电网基建专项维度及其细分的10 kV电网新建项目维度的实例化。考虑规划阶段的规划项目信息与其对应的项目储备阶段和项目计划阶段的关系，图11同时给出了该项目对应的项目储备信息和项目计划信息以及“规划-储备=计划”的发展衍化关系。这表明规划节点视角的项目信息与其储备节点视角信息和计划节点视角信息之间具有鲜明的前后衔接、伸缩扩展与发展更新特性。

图11 某10 kV配网基建项目“规划-储备-计划”模型描述信息Fig.11 Descriptive information about the“planning-reserve-budgeting”model of one 10 kV power distribution network construction project

规划项目库实现了各专业规划成果的归集入库，支持规划项目入库、规划项目批量打包、项目分解、项目优化调整及溯源、规划项目版本管理、规划项目出库等功能。结合图10和图11项目规划信息部分可见，基于统一信息模型的规划项目库能够从项目规划的时点视角，清晰展示项目所对应的规划版本、规划结论、图文集等，方便项目管理者溯源项目对应的规划方案版本，校核规划项目的需求匹配度与准入条件符合度，有效减轻了配网规划项目库的管理压力，有效支撑规划落地。

针对配网储备项目库，重点进行问题需求采集、项目在线评审、项目储备上报等典型场景实景应用。储备项目库实现了各专业储备项目的归集入库，归集2021年全省储备项目合计5 338项。结合图10和图11项目储备信息部分可见，基于统一信息模型的储备项目库能够从项目储备的时点视角，展示规划项目的可行性研究、前期手续、优选论证及其支撑信息，方便项目管理者从总体上把握储备项目池的总体情况，确保符合必要性、可行性、合理性、规范性的项目入库，有效提升了项目储备库管理效率。

针对配网计划项目库，重点进行配网项目计划编制与下达场景的试点应用。计划项目库实现了各类计划项目的归集入库，归集2021年全省配网项目计划4 197项。结合图10和图11项目计划信息部分可见，基于统一信息模型的计划项目库能够从项目计划的时点视角，展示各类项目的计划情况和预算情况，方便管理者从总体上把握项目的投资分配情况，对于促进配电网项目投资精准性、提高配电网项目管理精益化水平具有重要意义。

基于本文提出的电网企业项目多维统一信息模型，能够在各专项类型项目信息规范化描述与统一归集的基础上，实现海量项目信息的多视角立体化展示与多维度统计分析，同时支持多项目的关联关系分析与量化，从而为数据驱动的项目管理价值量化提供重要的模型基础。