Dise o Conceptual de Bases de Datos Un Enfoque b

8/17/2019 Dise o Conceptual de Bases de Datos Un Enfoque b

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Diseño Conceptual de Bases de Datos:

Un enfoque basado en la medición de la calidad. 1

Marcela VarasDepartamento de Ingeniería Informática y Ciencias de la Computación,

Universidad de Concepción, Chile.

e-mail: [email protected]

Resumen.

Se presenta un enfoque para el diseño de esquemas de bases de datos de calidad. Este enfoque está basado en el

trabajo colaborativo e incremental entre usuarios y diseñadores, además de la medición sistemática de la calidad de

los esquemas conceptuales. Se define un conjunto de criterios de calidad con sus correspondientes métricas para

apoyar este enfoque. Además se introduce el criterio de economía y se redefine el criterio de expresividad.

Palabras Clave: Diseño Conceptual de Bases de Datos, Métricas de Calidad, Proceso de Diseño, Criterios de Calidad.

1 Introducción.

Las bases de datos poseen diversos componentes. Uno de ellos es el esquema conceptual, el cual especifica

principalmente los componentes estáticos de la base de datos, incluyendo las estructuras y restricciones estáticas.

Esta componente es fundamental para todo el sistema y posee la propiedad de ser independiente de las

consideraciones de implementación.

El desarrollo de una base de datos considera mucho más que aspectos estáticos, e involucra otros niveles de

abstracción que el conceptual, pero aquellos aspectos escapan del ámbito de este artículo, por lo que no serántratados aquí (para detalles sobre niveles de abstracción y dimensiones de una base de datos, vea el enfoque de co

diseño propuesto por Thalheim [Thalheim2000] ).

Un esquema conceptual se especifica en un lenguaje de modelación, tal como el modelo entidad interrelación

[Chen76] o UML [Booch98], pudiendo incluir algunas especificaciones extra, expresadas en lenguaje natural oalguna lógica. Este esquema es un modelo de una realidad o la especificación de una solución a un problema,

dependiendo de si se utiliza el lenguaje para análisis o diseño respectivamente. La entrada al proceso de diseño

conceptual es el documento de especificación de requisitos, el cual es el resultado principal de la etapa de análisis.

Como todo producto de ingeniería, las bases de datos deben ser desarrolladas de modo de asegurar ciertos niveles

mínimos de calidad. El problema radica en que la definición del concepto de calidad debe ser previo a su medición.

Ambos asuntos han sido cubiertos en el ámbito del software, pero no en el ámbito específico del diseño conceptual

de bases de datos.

En este trabajo se han considerado algunos de los aportes realizados por Batini [Batini94], Moody [Moody94] y

Kesh [Kesh95], quienes han definido criterios de calidad y algunas métricas para poder medirlos. Para cada uno de

los criterios de calidad bajo consideración, se propone una métrica, con lo que se puede obtener una medida de la

calidad de un esquema conceptual.

El proceso de diseño conceptual es una tarea humano-dependiente, en el sentido que requiere de habilidades que son

muy difíciles de automatizar. El diseñador debe analizar la realidad bajo modelamiento, documentar los hechos

relevantes para satisfacer un conjunto de requerimientos, y complementar el documento de especificación de

requisitos una vez que obtiene nueva información a través del proceso de diseño. En cada etapa se utilizan distintas

políticas para tomar decisiones de diseño, las cuales pueden variar su importancia (ponderación o peso) dependiendo

del diseñador o la etapa del desarrollo en que se encuentre. Esto hace que este proceso sea muy dependiente de

1 Investigación parcialmente financiada por Dirección de Investigación, Universidad de Concepción, Proyecto 99.093.003-1.0



quienes lo desarrollen, y que en la práctica, sea difícil justificar una determinada decisión de diseño, si es que no se

cuenta con herramientas adecuadas (parte de las cuales proveemos en este trabajo).

En la sección siguiente, se presenta un marco de trabajo para el desarrollo de esta tarea, incluyendo distintos puntos

de vista para el enfoque propuesto. En la sección 3 se presentan los criterios de calidad propuestos en la literatura,

además de introducir el criterio de economía y redefinir el criterio de expresividad. En la sección 4 se presentan

métricas para cada uno de los criterios de calidad presentados. Por último, se presentan las conclusiones y las

referencias bibliográficas.

2 Marco de Trabajo para el proceso de diseño conceptual de bases de datos.

Consideramos que el proceso de diseño conceptual no puede ser independiente del proceso de análisis de

requerimientos, más aún, ambos procesos desarrollados sinérgicamente mejorarán la calidad del producto final. Bajo

este precepto, distinguimos tres procesos principales en el diseño conceptual: Análisis de Requerimientos,

Especificación del Esquema Conceptual y Evaluación del Esquema Conceptual. Para cada uno de ellos, se declaran

los actores involucrados, sus entradas, salidas y la descripción del proceso en sí.

a. Análisis de Requerimientos (AR).Actores: Usuario, Analista.

Entrada: Necesidades de una organización en términos de requisitos de datos, funcionales y de aplicación[Batini94].

Salida: Documento de Especificación de Requisitos (DER)

Proceso: El usuario (una organización formada por personas) entrega sus requerimientos al analista, en la forma de

entrevistas, formularios pre existentes, organigramas, políticas, procedimientos y estrategias organizacionales, etc. El

analista, basándose en la información entregada por el usuario más su propio conocimiento del dominio del negocio,

prepara la salida en una forma técnica.

b. Especificación del Esquema Conceptual (EEC).

Actores: Diseñador Conceptual, Usuario.Entrada: Documento de Especificación de Requisitos.

Salida: Esquema Conceptual de Bases de Datos (ECBD).Proceso: El diseñador conceptual mapea el DER en una esquema conceptual de base de datos utilizando un lenguajede modelación. Normalmente, en esta etapa el diseñador encontrará algunas incompletitudes en la especificación de

requisitos.

c. Evaluación del Esquema Conceptual (EvEC).

Actores: Diseñador Conceptual.

Entrada: Esquema Conceptual de Bases de Datos.

Salida: Medida de la calidad del esquema conceptual.

Proceso: El esquema es evaluado utilizando métricas de calidad.

El DER es escrito en un lenguaje que permite tanto al diseñador como al usuario su comprensión y manipulación.

Durante del proceso de especificación del esquema conceptual, los requerimientos de datos especificados en el DER

se mapean en un esquema conceptual, mientras que los requerimientos funcionales y de aplicación normalmente noquedarán expresados en el esquema conceptual de bases de datos, excepción de algunas restricciones de integridadque podrían considerar algunos de estos requisitos. Las especificaciones de la aplicación y los esquemas funcionales

deberían especificar los requerimientos de aplicación y funcionales respectivamente. Esto último escapa al ámbito de

este estudio.

Durante el proceso de EEC, el diseñador debe refinar el DER, validándolo con el usuario. Basado en la evaluación

del ECBD, el diseñador decidirá mejorarlo en base a las falencias detectadas.

Estos tres procesos deben desarrollarse incrementalmente, como se muestra en la figura 1, y con una

retroalimentación continua, como se muestra en la figura 2. El área bajo la espiral de la figura 1 denota el esfuerzo



invertido en el proceso de diseño, mientras que las flechas de la figura 2 indican las interacciones entre los sub

procesos presentes en el proceso de diseño conceptual.

Análisis deRequerimientos

Especificación del Esquema Conceptual

Evaluación delEsquema

Figura 1. Proceso de Diseño Conceptual.

Análisis de Requerimientos

Especificación delEsquema Conceptual

Evaluación del EsquemaConceptual

Especificación delEsquema Conceptual

Evaluación del Esquema

Conceptual

……

Figura 2. Interacción entre sub procesos en el diseño conceptual.

Resumiendo, el proceso de diseño conceptual puede expresarse en un algoritmo, como el siguiente.

Entrada:

- Documento de Especificación de Requerimientos R = {R1, ..., Rn}, con Ri un requerimiento, i = {1,...,n}.- Esquema vacío S0.

- Documento de Información Extra I (I es vacío inicialmente).

Cada Ri podría mapearse en un esquema conceptual de bases de datos, algunos R i podría no tener representación en

un ECBD (por ejemplo, un requerimiento funcional).



Proceso.

Variables Globales: R, I

{

S0= ∅

I = ∅RI = ∅For i = 1 to n do{

Repeat

{

IF hay incompletitud o ambigüedad en Ri

{

Ri = refinement (Ri)

}

If Ri puede mapearse en un esquema conceptual de bases de datos then{

especificar el esquema Si basado en Ri y Si-1.Agregar Ri a RI

}

else

{

Agregar Ri a I

}

}

until(Evaluation (Si,I,RI, Ri)≥qualitycriteria)}

}

Refinement (requerimiento: R): requerimiento

{

Obtener (del usuario) más información acerca de Rreturn R

}

Evaluation(esquema: S, documento de información extra: I, Documento de Especificación de Requerimientos: R,

Requerimiento: Ri): integer

{

Return Qualitymetric(S,I,R,Ri)}

Salida:

- Esquema Final Sn.

- Documento de Información Extra I.- Documento de Especificación de Requisitos R.

Este algoritmo asume que hay un modo definido para evaluar un esquema conceptual de bases de datos

(Qualitymetric). La interacción con el usuario está dada en la función Refinement. El desarrollo del esquema

conceptual se hace incrementalmente adicionando un requerimiento a la vez al esquema. Cuando no hay modo de

modelar un determinado requerimiento, éste se adiciona al documento de información extra I.



3 Criterios para la evaluación de Esquemas.

Basado en la propuesta de Batini ([Batini94]), algunos de las características que influyen en la mayor o menor

calidad de un esquema de bases de datos se describen a continuación.

Legibilidad . Se refiere a la estética del esquema. Un esquema es legible si los gráficos están distribuidos

adecuadamente en el espacio disponible, y los textos están con una fuente y un tamaño adecuado, de modo que sea

de fácil lectura.

Completitud . Se trata del esquema que incluye la representación total del mundo o la realidad especificada, esto a

través de los requerimientos impuestos y restricciones, es decir, que exista una correspondencia uno a uno de los

requerimientos con el esquema y también viceversa, además no deben existir requerimientos no formulados

(inexistentes).

Correctitud Un esquema cumple con esta característica cuando usa correctamente los conceptos y definiciones del

lenguaje (por ejemplo el modelo entidad interrelación) ya sea sintáctica como semánticamente.

Minimalidad . Un esquema es mínimo si no se puede borrar del esquema un elemento sin perder alguna información.

Expresividad. La expresividad se enfoca a la naturalidad con que se expresan los requerimientos. Se diferencia de la

legibilidad en que aquí el esquema es de fácil comprensión, pero desde el punto de vista de lo que representa.

Además, un esquema es más expresivo cuando no necesita de otras notaciones ajenas al lenguaje de modelación para

hacerlo más comprensible.

Autoexplicación. Un esquema se autoexplica si todos los requerimientos pueden ser modelados a través de los

conceptos del modelo sin la ayuda de otros formalismos (ej. : lógica, lenguaje natural).

Consistencia. Un esquema es consistente, si existe al menos una instanciación permitida (no vacía) para cada

elemento del esquema.

3.1 Expresividad y Economía.

A continuación, se redefine el criterio de expresividad, en contraste con la definición de Batini. Además se introduce

el criterio de economía.

3.1.1 Expresividad

Según Batini [Batini94] se puede lograr expresividad simplificando el esquema, considerando un esquema con pocos

elementos y que exprese naturalmente los requerimientos como un esquema expresivo, la simplificación propuesta se

puede hacer en los casos en que existen tipos de entidad subconjunto en jerarquías de generalización, es decir,

existan subentidades que no poseen ningún atributo específico, aquí la jerarquía se simplifica solamente a la entidad

padre (figura 3).

Figura 3. Aumento de la expresividad a través de la simplificación.

Colegio

PúblicoParticular

Colegiotipo



O también cuando existen tipos de entidad "colgantes", es decir, si existen dos tipos de entidad conectadas a través

de un tipo de interrelación y una de las dos posee pocos atributos. Siendo uno de los dos tipos de entidad más

importante que el otro, se puede eliminar el tipo de entidad pobre en atributos y el tipo de interrelación, pasando los

atributos respectivos al tipo de entidad más importante (figura 4).

Se puede observar que legibilidad y expresividad están relacionadas, ya que estas características se complementan,

entre mayor expresividad por simplificación se logre también la legibilidad irá en aumento.

Además, ayuda a la expresividad, el nombre de los elementos del esquema para que exista un mayor grado de

comprensión, sugiriendo un nombre acorde a lo que estos elementos representen. El esquema no debe poseer rótulos

repetidos en los tipos de entidad, tipos de interrelación o atributos de un mismo tipo de entidad, aunque la semántica

de éstos quede definida por su contexto, pues puede inducir a confusión y a una interpretación errónea de la

presencia de elementos redundantes. También es importante considerar el tamaño de los rótulos, ya que los nombresmuy largos pueden atentar contra la comprensión del esquema.

Figura 4. Otro ejemplo de aumento de la expresividad a través de la simplificación.

Un punto de vista distinto de expresividad da real prioridad al entendimiento del problema a través del esquema, es

decir que no necesariamente un esquema simplificado es más expresivo. Tomando la Figura 3, si es mostrado el lado

derecho (tipo de entidad colegio con atributo tipo), no es muy obvio lo que se quiere expresar. En cambio, en lageneralización del lado izquierdo, resulta natural decir que colegio puede ser particular o público. Sin embargo, esta

transformación correspondería a un aumento de la expresividad según la definición de Batini.

Así, la nueva definición de expresividad sería la siguiente:

Expresividad . Un esquema expresivo es aquel que ofrece información completa sobre el dominio del problema,utilizando los recursos que le otorga el modelo conceptual. La expresividad del esquema es mayor en la medida quees más fácil capturar, sobre la base del esquema, la información completa de la realidad modelada.

Así, el esquema de la izquierda sería más expresivo, al dejar explícitamente claro que nos interesan los colegiosParticulares y Públicos, información que no es explícita en el esquema de la derecha (habría que examinar la

especificación del dominio del atributo tipo).

Esta expresividad es un criterio antagónico con la legibilidad: entre mayor expresividad se quiera lograr usando

mayor cantidad de elementos en el esquema para lograr una mayor comprensión, la legibilidad de este se pierde en el

sentido que existirá una mayor cantidad de elementos que hará que éste sea de difícil lectura.

3.1.2 Economía

Un esquema es económico si representa la realidad bajo modelamiento con un número mínimo de estructuras, esto

es, un número mínimo de atributos, tipos de entidad y tipos de interrelación en un esquema MER. Hay que destacar

que difiere de la minimalidad expuesta anteriormente en que ésta se asocia a la información contenida en el esquema,

mientras que la economía lo hace con la estructura y el número de elementos utilizados para representar la realidad.

Pero aunque exista esta diferencia, se puede considerar la característica de economía como un tipo de minimalidad,referida a la estructura.

Hace clasesProfesorRu t

Nombre

Colegio nombre

Profesor

Colegio_en_que_trabaja

Ru t

Nombre



Para ejemplificar este criterio, considérese la siguiente realidad: "los profesores hacen clases en colegios. Existen

colegios particulares y colegios públicos". El esquema de la figura 5 es menos económico que el esquema de la

figura 6, pues modela la misma realidad con un número menor de estructuras.

Figura 5. Realidad modelada con 8 estructuras.

Figura 6 Realidad modelada con 5 estructuras.

Al contrario de la expresividad, la economía tiene efecto positivo con la legibilidad. Esto se explica ya que la

economía busca minimizar el uso de elementos (atributos, tipos de entidad y tipos de interrelación) para representar

una realidad: un menor número de elementos implica una mayor legibilidad del esquema. Producto de esto, laeconomía es opuesta a la expresividad, es decir a mayor economía mayor legibilidad y menor expresividad.

4 Métricas para la evaluación de la calidad de esquemas conceptuales.

Pradenas en [Pradenas01] definió un conjunto de métricas para cada criterio de calidad enunciado. Para la definición

de las métricas, se han considerado los siguientes factores.

- En lo posible debe tratarse de una función no lineal (exponencial, logarítmica, cuadrática, por ejemplo). Estoes debido a que la percepción de la calidad no es lineal. Para ilustrar este punto, considérese la diferencia en la

evaluación de un esquema en una escala de 1 a 100, un esquema A evaluado con una calidad 23, un esquema B

con calidad 25, un esquema C con una calidad 70 y un esquema D con una calidad 72. El esquema A y B son

"equivalentemente malos", mientras que el esquema D "es mejor" que el esquema C, aunque la diferencia entre

A y B es la misma que entre C y D.

- Debe tratarse de una función que esté definida para todos los valores posibles que pueden tomar susparámetros. Es decir, la función siempre debe poder calcularse (no considerar la división por cero, por

ejemplo).

- Los valores entregados estén en el intervalo (0,1),[0,1), (0,1] o [0,1]. Esta condición ha sido elegida sólo por

simplicidad, pues ayuda a obtener valores más manipulables.

Las métricas propuestas por Pradenas se enuncian en la tabla 1. Este conjunto de métricas se obtuvieron en base aexperimentación y aproximaciones sucesivas, considerando además las 3 condiciones expuestas previamente. No es

el objetivo de este artículo profundizar acerca del uso de estas métricas. Un primer acercamiento a esta materia se

puede encontrar en [Varas00].

Colegio

PúblicoParticular

Hace clasesProfesorRu t

NombreNombre Colegio

ProfesorColegio_en_que_trabaja

Ru t

Nombre

tipo de colegio



Característica Métrica Parámetros

Legibilidad

NFI: número de fuentes de ilegibilidad.

NE: número de estructuras.

Completitud

RE: número de requisitos de la

especificación expresados en el

esquema.RT: número de requisitos totales de la

especificación.

Correctitud Sintáctica

ErrSin: número de errores sintácticos

Correctitud Semántica

ErrSem: número de errores semánticos

Minimalidad

FR: número de fuentes de redundancia

A: número de atributos del esquema.

Expresividad

RA: número de requisitos obtenidos del

esquema y que se encuentran en laespecificación (Acertados).

RT: número de requisitos totales de la

especificación.

RI: número de requisitos presentes en el

esquema, pero que no se encuentran enla especificación.

Autoexplicación

IA: información anexa al esquema, ya

sea como, restricciones en lenguaje

natural o como supuestos al modelo.

RT: número de requisitos totales de la

especificación.

Consistencia

NI: número de inconsistencias del

esquema

Economía

RAe: número de requisitos de estructura

“acertados”

RTe: número total de requisitos de

estructura de la especificación.

NE: número de estructuras.

NE NFI

e

d Legibilida

*5,0

1=

2

= RT

RE d Completitu

11

+= ErrSemSemánticaCorrección

2

1

−=

A

FRd Minimalida

RT

RI

e RT

RAad Expresivid

*2

1

*2+=

RT

IA

e

ación Autoexplic

*5,0

1=

1

1

+=

NI iaConsistenc

2

20**

=

RTe NE RAe Economía

1

1

+=

ErrSinSintácticaCorrección



Calidad

Wi i=1...9 son los pesos asociados acada criterio de calidad según su

importancia.

Tabla 1. Métricas de Calidad [Pradenas01].

5 Conclusiones.

El proceso de diseño conceptual de bases de datos es un proceso de gran relevancia en el desarrollo de sistemas de

información, los cuales normalmente están basados en una base de datos.Se ha propuesto un enfoque práctico, que utiliza la medición de la calidad en forma explícita, lo que apoya el

desarrollo riguroso de los esquemas conceptuales de bases de datos que luego sustentarán los sistemas de

información.

La existencia de métricas apoya el proceso de toma de decisiones en el diseño conceptual, pues un diseñador puede

de este modo justificar sus decisiones de diseño, las cuales normalmente quedaban fuera de la documentación, y peor

aún, eran difícil de argumentar en términos técnicos.

Es indudable que el apoyo de herramientas automatizadas se hace imperativo en el desarrollo de tareas complejas,

como es el caso del diseño conceptual. Lamentablemente este proceso cuenta con aspectos de dificil automatización,como lo son el conocimiento del dominio del problema, la experiencia del analista, del diseñador, y de los usuarios.

La existencia de un método bien definido, como el propuesto en este artículo, aumenta la posibilidad de automatizar,

aunque sea parcialmente, esta tarea.

Las métricas presentadas requieren el análisis de los requisitos de la aplicación, de una forma análoga a las métricas

de punto de función [Albretch83]. Al depender sólo de la especificación, entregan resultados que son independientes

de plataformas de implementación, lo cual las hace adecuadas para la etapa de diseño conceptual. Por otro lado, los

parámetros que utilizan las métricas junto con el enfoque propuesto, hacen que estas medidas puedan aplicarse en

esquemas de manera independiente del lenguaje de modelación.

El método propuesto considera la medición de la calidad mediante métricas (en la función Qualitymetric). No se ha

profundizado en la forma de utilizar estas métricas, pero se sub entiende que deberán utilizarse en ese punto aquellas

presentadas en la sección 4.

Como trabajo futuro, se contempla la validación del método propuesto mediante la experimentación con diseñadoresde distinto nivel de experiencia, además de la continuación del desarrollo de herramientas automatizadas que apoyen

este proceso. Actualmente se cuenta con un dibujador de esquemas conceptuales [Inostroza01], un mapeador de

esquemas conceptuales a lenguaje natural [Torres99], y un mapeador de esquemas conceptuales a esquemasrelacionales [Troncoso01], además de la definición de la arquitectura de una herramienta CASE para el diseño

conceptual, que incluye las funcionalidades mencionadas. En desarrollo se encuentra una herramienta que

implementa las métricas propuestas por Pradenas.

También se considera la definición de guías para la aplicación de las métricas propuestas, y la definición de un

método para la etapa de especificación de esquemas conceptuales, incluyendo el proceso de análisis.

Q=w1*Legibilidad+

w2*Completitud+

w3*Correctitud Sintáctica+w4*Correctitud Semántica+

w5*Minimalidad+w6 *Expresividad+

w7 *Autoexplicación+

w8*Consistencia+

w9*Economía



6 Bibliografía y Referencias

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