Modelo de Referencia para Ingeniería de Requisitos en proyectos de Bioinformática
MSc Ing. Karina Pérez Teruel1; Dra. Lic. Ailyn Febles Estrada2 1
Grupo de Aseguramiento de la Calidad de Software, Dirección de Calidad de Software, Infraestructura Productiva,
Universidad de las Ciencias Informática. Carretera a San Antonio de los Baños, km 2 ½, Boyeros, Ciudad de La
Habana, Cuba.
2
Dirección de Calidad de Software, Infraestructura Productiva, Universidad de las Ciencias Informática. Carretera
a San Antonio de los Baños, km 2 ½, Boyeros, Ciudad de La Habana, Cuba.
*Autor para la correspondencia: [email protected], [email protected]
RESUMEN
Los proyectos de desarrollo de software bioinformático necesitan, en el campo de la Ingeniería de Requisitos,
metodologías específicas, debido a la complejidad algorítmica, el manejo masivo de datos y cantidad significativa de
conocimiento tácito a obtener y modelar. Los procedimientos que actualmente se utilizan influyen negativamente en
la entrega del producto al cliente en de tiempo y presupuesto. Debido a ello en el presente trabajo se define y
fundamenta un modelo para la Ingeniería de Requisitos en los proyectos de Bioinformática el cual incluye
procedimientos y técnicas adaptadas a las características con impacto en el cumplimiento de los objetivos de esta
disciplina de la Ingeniería de Software. Además se proponen herramientas para hacer más eficiente el trabajo de los
ingenieros.
Palabras claves: Bioinformática, Ingeniería de Software, Ingeniería de Requisitos.
Reference Model for Requirements Engineering in Bioinformatics projects
ABSTRACT
The bioinformatics software projects need specific methodologies in the field of Requirement Engineering, due to its
complex algorithmic, massive handle of data and significant amount of tacit knowledge for capture and modeling.
The current procedures nowadays are not good enough to guarantee the delivery of products on time and budget. In
this research the author define and fundament a model for Requirement Engineering wish includes procedures and
techniques adapted to the characteristics of bioinformatics software projects with relevant impact on reaching the
goals for this software engineering discipline. Several tools have been also proposed in the present work to facilitate
the software development.
Key Words: Bioinformatics, Requirements Engineering, Software Engineering.
La Bioinformática (BI) es un área de intersección entre las ciencias y tecnologías de la información y las ciencias de
la vida. Esta disciplina se ocupa de almacenar, manipular y analizar grandes masas de información biológica. O sea,
trata del uso de las computadoras para el análisis de la información biológica, entendida como la adquisición y
consulta de datos, análisis de correlación, extracción y procesamiento de la información. (1)
En el campo de la BI se desarrollan instrumentos informáticos para mejorar la investigación biológica. A
continuación se presentan algunos ejemplos (1):
Modelos computacionales y matemáticos: permiten la exploración de la estructura tridimensional de proteínas y
macromoléculas, así como el flujo de la información genética en una célula determinada de un organismo.
DNA array (variante de los biochips): nueva técnica de laboratorio que facilita el procesamiento de gran cantidad de
información proveniente de la expresión de los genes en un mínimo de tiempo. Acelera el proceso de análisis del flujo
de la información genética.
Instrumentos de software: incluyen amplia variedad de técnicas de software. Algunas de las áreas que cubren dichas
técnicas son: Sistemas de Manejo de Información de Laboratorios (LIMS); software para el alineamiento de
secuencias y mapas de DNA y proteínas; programas dedicados al análisis de árboles filogenéticos; software creados
para el reconocimientos de patrones en proteínas (datamining). Además de estos instrumentos de software se ha
realizado un enorme esfuerzo en la construcción, organización, desarrollo y manejo de bases de datos. Como se
deduce, el desarrollo de bases de datos es crucial para la BI. Otro resultado de la aplicación de software debería ser la
construcción de portales de Internet orientados a la presentación y utilización de instrumentos de análisis, listas de
discusión, I&D compartido etc.
Paralelización computacional: consiste en dividir un gran problema en partes más pequeñas que puedan resolverse en
paralelo utilizando diferentes procesadores. Una alternativa para el paralelismo ha sido el desarrollo de clusters de
computadoras.
Métodos estocásticos, inteligencia artificial, caos, y otros: son todos instrumentos matemáticos, dedicados a la
resolución de problemas biológicos. Constituyen nuevos enfoques que tienden a analizar lo que se conoce como
sistemas complejos, categoría que incluye la mayoría de los sistemas biológicos.
La Ingeniería de Requisitos. Enfoque para proyectos de BI
El proceso de desarrollo de estos instrumentos de software aplicados a la investigación biológica presenta carencias
metodológicas propias de una industria tan reciente como la del software. Una de las principales dificultades,
fundamentalmente en el desarrollo de sistemas de gran complejidad algorítmica y de manejo de datos, radica en que
Por supuesto, existen una serie de dificultades que todos los proyectos de desarrollo de software presentan en el
proceso de definición de lo que el sistema debe hacer. Por ejemplo el hecho de que los propios usuarios no tienen una
idea exacta de las necesidades globales de la organización.
La aproximación tradicional en la industria de software a este problema, ha sido asignar intermediarios (analistas)
para obtener una lista de requisitos de cada usuario y de esta forma lograr una visión de conjunto y componer una
especificación de requisitos completa, correcta y consistente (2).
La industria, en aras del mejoramiento de estos procesos, ha ido consolidando una nueva rama de la ingeniería de
software que se ocupa de la investigación-desarrollo en el campo de los requisitos de software, rama denominada
Ingeniería de Requisitos (IR). Como todas las demás actividades de la Ingeniería del software, debe adaptarse a las
necesidades del proceso, el proyecto, el producto y las personas que realizan el trabajo (3).
La IR proporciona el mecanismo apropiado para entender lo que el cliente quiere, analizar las necesidades, evaluar la
factibilidad, negociar una solución razonable, especificar la solución si ambigüedades, validar la especificación, y
administrar los requisitos conforme estos se convierten en un sistema operacional (3).
Los datos obtenidos en un estudio realizado por la National Aeronautics and Space Administration (NASA)
evidencian el nivel de prioridad que demandan las actividades que en el proceso de desarrollo se relacionan con los
requisitos. El estudio arrojó que los proyectos que consumieron como promedio del 2% al 3% del total de
costo/esfuerzo (ciclo de vida completo) en el proceso de los requisitos, experimentaron un exceso de costo de entre en
80% y un 200%, mientras que los proyectos que invirtieron entre un 8% y un 14% del total de costo/esfuerzo del
proyecto tuvieron en exceso de costo de 0% a 5% (4).
La IR en proyectos de BI
Una encuesta realizada por la autora a 25 desarrolladores de software BI, arrojó que en un 76% de los casos, los
proyectos en los que han participado han excedido el tiempo y presupuesto asignados.
La prioridad asignada por parte de los encuestados a los requisitos dentro del proceso de desarrollo de software BI fue
alta en un 88%, media en un 8% y baja en un 4% de los casos.
En el mismo diagnóstico se midió el nivel de impacto de factores que podrían provocar un exceso en el tiempo y
presupuesto en proyectos de BI (Figura 1). Los cinco factores con mayor incidencia son provocados por ineficiencias
Figura 1: Incidencia de factores en que los proyectos excedan el tiempo y presupuesto asignados.
Falta de comunicación con
usuarios y/o clientes - 64%.
Requisitos y especificaciones
incompletas - 40%.
Requisitos y especificaciones
cambiantes - 64%.
Falta de claridad en los objetivos -
52%.
Estimaciones irreales - 36%.
El contrastar el dato de que el 88% de los encuestados asigna un nivel alto de prioridad a los requisitos, con el hecho
de que los factores que con mayor impacto inciden en que los proyectos de BI excedan el tiempo y presupuesto
asignados, están fuertemente relacionados a la IR, permite concluir que los procedimientos o técnicas usados por los
encuestados no son los idóneos para este tipo de proyecto.
Los proyectos de desarrollo de software bioinformático necesitan, en el campo de la IR, metodologías específicas,
debido a la complejidad algorítmica, el manejo masivo de datos y cantidad significativa de conocimiento tácito a
obtener y modelar. Es importante además contar con recursos humanos con determinados grados de especialización
tanto en BI como en IR.
Desarrollo: Modelo INeR
Características de los proyectos de Bioinformática
La autora ha determinado, a partir la experiencia obtenida por participación en proyectos de BI una serie de
características comunes a este tipo de proyectos y que tienen impacto en los procesos inherentes a la IR. Son
señaladas y argumentadas a continuación:
• Gran complejidad algorítmica:
Los proyectos hacen uso de técnicas heurísticas, de leyes y teorías de la física estadística y cuántica y de la
tratamiento de secuencias a modo de Vectores Unidimensionales y Diagramas de Recurrencia (RP) aplicados por
ejemplo al estudio de proteínas, mapas iterativos lineales y no lineales para el estudio de sistemas en tiempo
discreto y ecuaciones diferenciales para sistemas en tiempo continuo. Además es frecuente la utilización de
modelos matemáticos en la investigación biológica: modelo de Michaelis-Menten para la catálisis enzimática,
modelo de Lotcka-Voltera (Presa-depredador en Ecología), modelos de Luria-Delbruck para el proceso de
selección mutación en bacterias, modelo de Hodgkin-Huxley para la neurona y modelo de Geoge Bell para la
respuesta Inmune Humoral entre otros (5) (6) (7).
• Trabajo con ingentes cantidades de datos:
Se generan y manejan cantidades masivas de datos biológicos. Por solo citar algunos ejemplos, en la actualidad se
conoce la secuencia de más de un millón y medio de proteínas, más cien genomas y la estructura tridimensional
de más de 20 mil proteínas. Bases de datos de secuencias de ADN almacenan datos en el orden de los millones y
las cifras aumentan considerablemente cada año. GenBank por ejemplo, almacenaba en diciembre de 1997, 1.26 *
109 bases, en abril de 1999, 2.57 * 109, en septiembre del 2000 el número aumentó a 1.0 * 1010 y ya en agosto de
2005 almacenaba más de 8.0 * 1010 bases. El conocimiento científico acumulado a lo largo de las últimas décadas
se encuentra disperso en más de 12 millones de artículos (8) (9) (10).
• Diferencias en cuanto a lenguaje, formación y visión entre clientes y equipo de desarrollo:
Los proyectos de desarrollo de software bioinformático son generalmente caracterizados además por la
diferencias en cuanto a lenguaje, formación y visión entre clientes y equipo de desarrollo. Los profesionales de las
ciencias biológicas y las informáticas han recibido años de preparación en ramas diferentes y han adoptado un
lenguaje científico propio de la ciencia respectiva. Cada profesional ha hecho suyos conceptos con un nivel
elevado de conocimientos que los respaldan y en ocasiones presumen como trivial su comprensión por parte del
interlocutor. Este hecho supone una gran barrera para el entendimiento mutuo. Además de este conocimiento
explícito, dichos especialistas han obtenido a lo largo de su desempeño profesional e investigativo considerables
cantidades de conocimiento tácito que generalmente los ingenieros de software deben obtener y modelar en forma
de requisitos.
• Uso del sistema operativo GNU-Linux como plataforma de trabajo.
La comunidad bioinformática se caracteriza por el alto grado de interacción entre grupos de investigación. Se
hace necesaria la socialización del conocimiento generado por el vertiginoso avance de la ciencia en aras de su
desarrollo y mejora contantes en el seno de la comunidad científica. La investigación colaborativa ha constituido
en BI un factor de éxito. Por ejemplo investigaciones distribuidas geográficamente han contribuido a acelerar la
favoreció y favorece el desarrollo de un número significativo de programas y recursos de información
open-source y que tienen como sistema operativo nativo al GNU-Linux. Este sistema operativo se usa
internacionalmente como plataforma para el desarrollo de la BI y esto se debe a su excelente rendimiento en el
procesamiento de datos, al aprovechamiento óptimo de los recursos de hardware y fundamentalmente por ser
distribuido en forma gratuita bajo la filosofía de código abierto. Para el trabajo bioinformático se han adaptado
distribuciones de Linux como DNA Linux, Biobrew, Bioknoppix, y Linux Hélice (11). En la Universidad de las
Ciencias Informáticas se trabaja en el desarrollo de una distribución denominada BioNOVA que satisfaga los
requerimientos del grupo de BI de la universidad y de otros centros dedicados el tema, fundamentalmente los
centros de polo científico de oeste de la Habana.
Definición del Modelo de Referencia para la Ingeniería de Requisitos en proyectos de Bioinformática INeR
Los resultados de una encuesta aplicada por la autora a desarrolladores de proyectos de BI permitían concluir que los
modelos de IR tradicionales usados en este tipo de proyecto no permitían el cumplimiento de los objetivos de esta
disciplina. Este hecho provoca que se excedan el tiempo y presupuesto asignados. En la literatura no se encuentran
referencias de adaptaciones de la disciplina de IR a las necesidades de la BI.
Tomando en cuenta las anteriores características inherentes al proceso de desarrollo de los proyectos de BI, la autora
propone un modelo de referencia para la Ingeniería de Requisitos (INeR) con el objetivo de ser aplicado en este tipo
de proyectos y mejorar los resultados de la disciplina de requisitos y por tanto de los restantes procesos ingenieriles
subsecuentes. El modelo INeR se compone fundamentalmente de:
¾ Procesos: Marco de procesos que engloban las actividades relacionadas con requisitos en el proceso de
desarrollo de software.
¾ Técnicas: Conjunto de técnicas adecuadas al tipo de proyecto en cuestión usadas con el objetivo de aportar
eficiencia a los procesos del modelo.
¾ Herramientas: Selección de herramientas que permiten automatizar o semi-automatizar los procesos tomando
en cuenta las técnicas específicas del modelo.
I. Objetivos de INeR
¾ Establecer y mantener el acuerdo entre los involucrados del proyecto referente a los requisitos funcionales y
no funcionales del sistema.
¾ Proporcionar a los desarrolladores de un mejor entendimiento de los requisitos del sistema.
¾ Definir las fronteras del sistema.
II. Entradas de INeR
¾ Objetivos de la organización
¾ Modelo del Negocio (opcional)
¾ Solicitudes de cambios en requisitos
¾ Información organizacional relacionada al proyecto
¾ Políticas organizacionales relacionadas al proyecto
III. Salidas INeR
¾ Plan de Gestión de Requisitos
¾ Listado de requisitos y sus atributos
¾ Especificación de Requisitos
¾ Estado de los Requisitos
Marco de Procesos de INeR
Sobre la base de las características de los proyectos de Bioinformática, las normativas y recomendaciones de IEEE,
CMMI e ISO (12) (13) (14), las propuestas de diversos autores (3) (15) (4), y la propia experiencia productiva y
docente, la autora propone un marco de 5 procesos que incluye en el modelo de referencia INeR. Ellos son: Inicio del
Proyecto (IP), Obtención de Requisitos (OR), Análisis de Requisitos (AR), Descripción de Requisitos (DR) y Gestión
de Requisitos (GR).
Los flujos de trabajo definidos para el marco de procesos de INeR tienen como punto inicial, el comienzo de un
proyecto de desarrollo de software bioinformático. Se agrupan los cuatro primeros procesos en una categoría
denominada de Desarrollo de Requisitos debido a que estos procesos están enfocados a establecer lo que debe hacer el
sistema. El proceso de gestión de requisitos va dirigido a evolucionar los requisitos desarrollados conforme
evoluciona el proyecto. La salidas de los procesos de desarrollo de requisitos constituyen entradas fundamentales para
el resto de los flujos de trabajo ingenieriles. El proceso de gestión de requisitos se mantiene a lo largo del ciclo de
vida del proyecto.
Desarrollo de Requisitos
Los procesos involucrados en el desarrollo de requisitos tienen como objetivo identificar y documentar el conjunto de
requisitos funcionales y no funcionales que tendrá la aplicación y además establecer el acuerdo al respecto entre los
involucrados en el proyecto. No obstante no es necesario que la totalidad de los requisitos hayan sido obtenidos,
analizados, descritos y validados para que comiencen el resto de las disciplinas de ingeniería del software. Concluido
el entendimiento de los requisitos de una porción del sistema se recomienda comenzar el diseño y construcción de
La iteración es la clave para el desarrollo de requisitos (15). Es apropiado en lugar de seguir un modelo en cascada,
desarrollar iteraciones de manera que se logre llevar progresivamente a los requisitos a un nivel apropiado de detalle,
o sea, hacer del desarrollo de requisitos un proceso iterativo e incremental.
Los procesos incorporados al modelo INeR tienen iteraciones incluidas dentro de sus actividades a fin de validar o
incrementar sus resultados y además es recomendable volver a iterar en los procesos anteriores con el objetivo de
completar requisitos que no se han obtenido aún, o para que el grupo de trabajo de análisis haga una reevaluación de
los requisitos que se están describiendo como muestra la Figura 2.
Figura 2: Carácter iterativo del desarrollo de requisitos.
Las descripciones formales de los procesos incluidos en le modelo INeR puede encontrarse en (16). Las mismas
incluyen: nombre del proceso, objetivo(s), establecimiento de roles, entradas, definiciones, actividades del
procedimiento, salidas y representación gráfica utilizando UML como lenguaje de modelado.
Técnicas de apoyo al Marco de Procesos de INeR
En la literatura se encuentran descritas y disponibles numerosas técnicas aplicables a distintas etapas de la IR. Como
ocurre generalmente, ninguna de ellas funciona por si sola ni en todos los tipos de proyectos. En el modelo INeR se
proponen un conjunto de técnicas que sirven de apoyo a la ejecución de los procesos definidos, ajustadas además a las
características de los proyectos de BI.
Para un mejor entendimiento y sobre la base de su uso en el modelo, se clasifican las técnicas en:
• Técnicas para el proceso IP: Se incluyen en esta categoría la entrevista, la técnica del aprendiz y el modelo
conceptual.
• Técnica para el proceso OR: Se incluye en esta categoría la técnica taller de requisitos.
• Técnicas para el proceso DR: Se incluyen en esta categoría la técnica de casos de uso y para cada escenario
los diagramas de actividad con sus respectivas descripciones textuales y prototipos no funcionales de la
aplicación (CU/DA/DT/PROT), las técnicas del análisis estructurado (TAE) y el pseudocódigo.
Herramientas propuestas para el modelo INeR
Los procesos de la IR deben estar soportados por herramientas CASE o de gestión que permitan la automatización
por el intercambio frecuente y la comunicación entre las personas que conforman el equipo de desarrollo y los
clientes/usuarios y otro involucrados en el proyecto, y estas son actividades que no se deben automatizar, al menos no
en su totalidad. Existen herramientas que permiten la automatización de las actividades de obtención de requisitos
pero la autora recomienda su uso solo en proyectos geográficamente distribuidos. No obstante si la comunicación es
difícil coincidiendo en espacio y tiempo, especialmente en proyectos con las características de los de BI, la
comunicación a distancia, aun usando herramientas, entraña riesgos elevados, que tienen un impacto considerable en
el éxito del proyecto.
En el modelo INeR incluye una recomendación de herramientas que soporten las actividades de los procesos
propuestos. Se han clasificado en herramientas software y en plantillas. Las plantillas se han incluido dentro de las
herramientas en general ya que al igual que las herramientas de software, ayudan a los ingenieros aumentando su
capacidad de realizar las tareas de la IR.
En la clasificación de herramientas software se incluyen:
• Herramientas CASE: Enterprise Architect (EA) y/o Visual Paradigm (VP)
• Herramienta para Gestión de requisitos: Open Sourse Requirement Management Tool (OSRMT)
En la clasificación plantillas se propone la utilización de las siguientes, disponibles en el CD INeR:
• Plantilla para el Glosario de Términos
• Plantilla para el Documento Visión
• Plantilla para la Listado de Requisitos (Especificación)
• Plantilla para el Modelo del Sistema
• Plantilla para la Gestión de Requisitos
Herramientas CASE para el desarrollo de requisitos
Las herramientas CASE de ciclo completo Visual Paradigm y Enterprise Architect son privativas pero ambas pueden
utilizarse en entornos GNU-Linux. De esta manera se adaptan a la característica 4 descrita en el Capítulo 2 referente
al uso de esta plataforma para el trabajo en los equipos de desarrollo de software BI. En la Tabla 1 se muestra una
comparación de las herramientas sobre la base del soporte que bridan a las actividades de los procesos de desarrollo
de requisitos propuestos en el modelo INeR.
Tabla 1: Soporte de la herramientas CASE VP y EA a los procesos definidos en INeR.
Procesos VP 5.3 soporta: EA 6.1 soporta:
IP Diagramas de clases Diagramas de clases
OR Diagramas de requisitos Diagramas de requisitos
DR Diagramas de casos de uso
Diagramas de actividad
DER
DFD
Diagramas de casos de uso
Diagramas de actividad
Creación de prototipos
La tabla comparativa permite concluir que al herramienta CASE Visual Paradigm soporta un mayor número de
actividades de los procesos definidos en el modelo INeR.
Herramienta para la gestión de requisitos
La “Open Source Requirements Management Tool” (OSRMT), como su nombre lo indica es una herramienta de
fuente abierta que corre en múltiples plataformas. Soporta todas las actividades definidas en el proceso GR de
manera eficiente. Una relación de las características de la aplicación se puede encontrar en la encuesta de INCOSE
publicada en la siguiente dirección:
http://www.paper-review.com/tools/rms/response.php?vendor=OSRMTv1_3#1
Esta herramienta es incluida en el CD INeR. Al ser software libre, sus usuarios tienen legalmente permita su
distribución a la comunidad.
Conclusiones
• Se obtuvo un modelo de referencia para la IR en proyectos de BI, INeR. El mismo está compuesto por
procesos, técnicas y herramientas. Cuenta con entradas y salidas definidas y objetivos establecidos que
propician la entrega de los productos del desarrollo de software de BI al cliente, en tiempo y presupuesto.
• El modelo fue validado por expertos en ambas áreas del conocimiento, BI e IR, quienes por mayoría
coincidieron en que su aplicación en proyectos de BI resulta posible e importante y que con su implantación y
ejecución se logrará alcanzar los objetivos definidos para el mismo. Influirá positivamente en la
comunicación entre clientes/usuarios y equipo de desarrollo, en el establecimiento y mantenimiento del
acuerdo entre ambas partes acerca de los requisitos funcionales y no funcionales que la aplicación software
deberá poseer y en la definición de los objetivos del proyecto.
• El modelo propuesto para la IR en proyectos de BI, INeR, favorece el trabajo de los ingenieros que enfrentan
la ausencia de procedimientos formalmente descritos y adaptados a sus necesidades en esta área de la
Ingeniería de Software.
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AUTOR
Nombre y Apellidos: Karina Pérez Teruel
Título universitario: Ingeniero Informático
Grado científico: Máster en Ciencias
Categoría Docente: Instructor
Institución a la que pertenece: Universidad de Ciencias Informáticas
Dirección postal: Carretera a San Antonio de los Baños, km 2 ½, Boyeros, Ciudad de La Habana, Cuba Número de
teléfono: 837-2426
Correo electrónico: [email protected]
Breve descripción de su labor actual: Especialista de la Dirección de Calidad de Software de la Universidad de las
CoAUTOR
Nombre y Apellidos: Ailyn Febles Estrada
Título universitario: Licenciada en Ciencias de la Computación
Grado científico: Doctora en Ciencias
Categoría Docente: Auxiliar
Institución a la que pertenece: Universidad de Ciencias Informáticas
Dirección postal: Carretera a San Antonio de los Baños, km 2 ½, Boyeros, Ciudad de La Habana, Cuba Número de
teléfono: 837-2427
Correo electrónico: [email protected]
Breve descripción de su labor actual: Directora de la Dirección de Calidad de Software de la Universidad de las