PDF de programación - Modelo y Arquitectura para Exploración Meta-conceptual Dinámica en Bases de Datos con Información Biológica

CENTRO DE INVESTIGACI ÓN Y DE ESTUDIOS AVANZADOS

DEL INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL

Unidad Zacatenco

Departamento de Computación

Modelo y Arquitectura para Exploración Meta-conceptual

Dinámica en Bases de Datos con Información Biológica

Tesis que presenta:

M. en C. Joaquín Sergio Zepeda Hernández

para obtener el Grado de:

Doctor en Ciencias

en la Especialidad de:
Ingeniería Eléctrica

Opción:

Computación

Director de Tesis: Dr. Sergio Víctor Chapa Vergara

México, D.F.

Junio 2009

Resumen

La recuperación e integración de los datos contenidos en una base de datos
científica es una tarea no trivial; si adicionalmente la base contiene informa-
ción biológica el diseño, implementación e interacción involucra una mayor
complejidad. Los sistemas Web que mantienen interacción con estas bases,
regularmente tienen un interfaces poco intuitivas y predecibles, por lo que el
usuario necesita ser un experto para encontrar información específica rela-
cionada a los datos biológicos. Con el surgimiento de bases de datos científi-
cas y públicas en la Web, son necesarios nuevos modelos de interacción,
exploración y visualización que permitan una mejor experiencia al usuario.

En esta tesis se propone un nuevo modelo de interacción que denominamos
como: Modelo Meta-conceptual Dinámico (Modelo MD), el cual es orientado
a sistemas Web que interactúan con bases de datos científicas, e integra
diferentes enfoques usados en la exploración de datos como: Consultas vi-
suales, Consultas Dinámicas, Metadatos, Semántica y Mapas conceptuales.
La integración es alcanzada a través de capas separadas y cuatro niveles de
interacción, que permiten un acceso transparente a la información por medio
de una estructura conceptual de los datos y una interface con interacción
visual-dinámica.

Adicionalmente se propone una nueva arquitectura genérica e independente
de plataforma que es una extensión de la tradicional cliente-servidor y de-
nominamos como Arquitectura Meta-conceptual Dinámica (Arquitectura MD),
las capas que le pertenecen son descritas a detalle para indicar la función
específica que tienen en la interacción con los usuarios. Esto con el objetivo
de permitir la implementación del modelo MD para su uso en sistemas reales.

El potencial de este nuevo modelo de interacción se presenta a través de un
caso de estudio y la implementación de un prototipo sobre una base de datos
con información biológica. El prototipo muestra algunas de las ventajas que
ofrece este nuevo modelo con respecto a sistemas Web tradicionales, la fun-
cionalidad presentada por el modelo MD promete una nueva generación de
sistemas Web más interactivos.

Abstract

The recovery and integration of data in a scientific database is not a trivial
task, if the database contains additional biological information, the design,
implementation, and interaction involves more complexity. Web systems that
maintain interaction with scientific databases, usually have poor design and
unpredictable interfaces, so the user needs to be an expert to find specific in-
formation related to biological data. With the emergence of several scientific
databases with public information on Web, there is a need of new models
for data interaction, exploration and visualization to enable a better user
experience.

In this thesis, we propose a new model of interaction for Web systems with
scientific databases online, which is called Dynamic Meta-conceptual Model
(DM Model). This model is used to develop Web-oriented systems that in-
teract with scientific databases, it integrates various approaches used in the
exploration on database, such as Visual query, Dynamic query, Metadata,
Semantic and Concept maps. The integration is achieved through separate
layers and four interaction levels, which allows transparent access to infor-
mation through a conceptual structure of data and interface with a dynamic
visual interaction.

Additionally, we propose an extension of the traditional client-server ar-
chitecture to enable the implementation of the DM Model for use in real
systems. This new architecture is generic and platform independent, named
Dynamic Meta-conceptual Architecture (DM Architecture), the layers of the
DM architecture are described in detail to indicate the specific role they
have in the interaction with users.

The potential of our approach is shown through a prototype implemen-
tation for exploration on a database with biological information. The pro-
totype demonstrates advantages of DM model compared to traditional Web
systems, the functionality provided by the DM Model promises a new gene-
ration of interactive Web systems.

A mis padres

A mi esposa y a mi hija

A mis sobrinas

Agradecimientos

A mi asesor el Dr. Sergio V. Chapa Vergara, por el apoyo y animo brindado
en el desarrollo de esta tesis.
Al personal de la Colección Nacional Mexicana de Cultivos Microbianos,
Profa. Jovita Martínez Cruz, Biólogo Juan Carlos Estrada Mora y técnico
Armando Sánchez Chavarría, por su asesoría y apoyo en la parte de micro-
biología, para la realización de este proyecto de investigación.
A la Dra. Esther Orozco Orozco por todo el apoyo que en su momento tuvo
bien a darme, además del reconocimiento a todo su esfuerzo por difundir y
apoyar la ciencia en todos sus niveles.
A Charles J. C. Elling Espejel (Charly), por su entusiasmo y ayuda prestada
en diversos momentos acádemicos y de trabajo.
Al Dr. Octavio Martínez de la Vega por todo el conocimiento e ideas que
compartió, con el animo de desarrollar nuevas herramientas computacionales
orientadas a la biología.
A los revisores por sus valiosos comentarios y propuestas para enriquecer
esta tesis, Dra. Sonia Mendoza Chapa, Dra. Xiaoou Li, Dr. José Manuel
Gómez Soto, Dr. Saul Villa Treviño y Dr. Jorge Buenabad Chavez.
A los doctores que conforman el Departamento de Computación, en especial
al Dr. Adriano de Luca Pennachia, Dr. Carlos A. Coello Coello, Dra. Ana
María Martínez Enríquez, Dr. Pedro Mejía Alvarez y al Dr. José Guadalupe
Rodríguez García.
A Osvaldo Ibáñez Sandoval por las provechosas discusiones y la amistad
otorgada durante varios años.
A mis compañeros José Antonio Coria Fernández, René Rodríguez Zamora,
Amilcar Meneses Viveros y Mayté Ramírez, por las horas de plática dedi-
cadas al intercambio de conocimiento para mejorar nuestros trabajos.
A las secretarias del Departamento de Computación, Sofía Reza Cruz, Flor
Córdova González y Felipa Rosas López, por su ayuda incondicional en su
labor administrativa.
Al personal de Servicios Escolares y Becas por el apoyo brindado en todos
los trámites requeridos durante mis estudios.
Al CINVESTAV por darme la oportunidad de realizar mis estudios de pos-
grado y del cual me siento orgulloso de ser egresado.
A CONACYT por todo su apoyo económico otorgado a través de la beca
con registro 166542, que permitió la conclusión satisfactoria de mis estudios
de doctorado.

Índice general

1. Introducción

1.1. Motivación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.2. Descripción del Problema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.3. Objetivos
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.4. Organización de la Tesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2. Estado del Arte

2.1. Ciencia y Computación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.1.1. Tendencias hacia el 2020 . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.1.2. Colaboración interdisciplinaria . . . . . . . . . . . . .
2.2. Bases de Datos en la Investigación . . . . . . . . . . . . . . .
2.2.1. Bases de datos científicas
. . . . . . . . . . . . . . . .
2.2.2. Bases de datos con información biológica . . . . . . .
2.3. Sistemas en la Investigación . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.3.1. Sistemas con datos científicos . . . . . . . . . . . . . .
2.3.2. Sistemas con datos biológicos . . . . . . . . . . . . . .
2.4. Comentarios Finales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3. Interacción y la Web

3.1. La Interfaz y los Usuarios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.1.1. Consultas visuales
3.1.2. Limitación en las consultas visuales
. . . . . . . . . .
3.1.3. Consultas dinámicas . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.1.4. Limitaciones en consultas dinámicas . . . . . . . . . .
3.1.5. Usabilidad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.1.6.
Interfaz multi-nivel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.2. La Evolución de la Web . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.2.1.
Ingeniería Web . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.2.2. Web 1.0 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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ÍNDICE GENERAL

3.3.

3.2.3. Web 2.0 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.2.4. Web 3.0 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.2.5. Web semántica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Interacción en la Web . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.3.1. Limitaciones en un sistema Web . . . . . . . . . . . .
3.3.2. Limitantes de una interfaz Web . . . . . . . . . . . . .
3.3.3. Usabilidad en la Web . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.3.4. Aplicaciones RIA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Interacción Visual-Dinámica . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.4.1. Ventajas de interacción en sistemas de escritorio . . .
3.4.2. Ventajas en interacción Web . . . . . . . . . . . . . .
3.4.3. Modelo de interacción visual-dinámica . . . . . . . . .
3.5. Comentarios Finales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3.4.

4. Semántica y Metadatos

4.1. Semántica y Datos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.1.1. Semántica en sistemas de información . . . . . . . . .
4.1.2. Limitación semántica en sistemas de información . . .
4.1.3. Semántica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .