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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.

(2)

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

(3)

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

(4)

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

(5)

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

(6)

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.

(7)

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

(8)

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

(9)

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

(10)

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.

Bibliografía

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16. Ciencia de Colaboración. Febles Rodríguez, Juan Pedro y González, Abel. 3, 2002, Vol. 7, págs. 53-57.

 

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

(12)

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

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