Pathfinding: búsqueda de rutas en informática

Los algoritmos de pathfinding se encuentran entre los más populares y utilizados. Te mostramos cómo funcionan y para qué se utilizan.

¿Qué es pathfinding?

Pathfinding, también llamado búsqueda de rutas, es un problema básico de informática donde se trata de encontrar el camino más corto o eficiente entre dos puntos. Hay una gran variedad de algoritmos de pathfinding que se utilizan en todo tipo de escenarios de aplicación.

¿Cómo funciona pathfinding y para qué sirve?

Un algoritmo de pathfinding suele empezar representando el problema como un grafo o cuadrícula. Un grafo es una colección de nodos interconectados como, por ejemplo, un diagrama de flujo. Una cuadrícula es una matriz bidimensional de celdas, como un tablero de ajedrez. Los nodos o celdas representan posiciones en el espacio del problema, mientras que las aristas o celdas adyacentes representan las posibles rutas entre ellas.

Una vez representado el problema en forma de grafo o cuadrícula, los algoritmos de pathfinding utilizan diversas técnicas para encontrar la ruta entre dos puntos. Normalmente, el objetivo de los algoritmos es encontrar el camino más corto o económico y, al mismo tiempo, ser lo más eficiente posible.

Los algoritmos de pathfinding tienen muchos usos en informática, entre ellos se encuentran los siguientes:

• Robótica: los algoritmos de pathfinding se utilizan para ayudar a los robots autónomos a navegar por entornos complejos. Piensa en coches con piloto automático o robots aspiradores inteligentes que recorren la casa de forma autónoma.
• Videojuegos: los algoritmos de pathfinding se utilizan para controlar los movimientos de los personajes no jugadores (PNJ) de los videojuegos. En un juego de estrategia en tiempo real, hacer clic para enviar tus unidades a la base enemiga también supone utilizar los algoritmos de pathfinding.
• Logística: los algoritmos de pathfinding se utilizan en el ámbito de la logística para encontrar la forma más eficiente de transportar mercancías o pasajeros.
• Regulación del tráfico: los algoritmos de pathfinding se utilizan para diseñar las mejores rutas en el tráfico de una ciudad evitando los atascos.
• Enrutamiento de redes: en las redes informáticas, los algoritmos de pathfinding se utilizan para encontrar el camino más rápido para la transferencia de datos entre distintos nodos de la red.

A continuación, algunos posibles usos de pathfinding en detalle.

Pathfinding en la logística

Pathfinding, en el ámbito de la logística, consiste en encontrar la mejor ruta para el transporte de mercancías. Una ruta óptima minimiza los costes y el tiempo de desplazamiento, a la vez que garantiza la seguridad de los productos transportados. Pathfinding en logística es, por tanto, una herramienta decisiva para optimizar el transporte de mercancías y reducir costes.

A continuación, unos cuantos ejemplos para mostrar cómo se utiliza pathfinding en el ámbito de la logística:

• Trazado de rutas: en el transporte de mercancías, los algoritmos de pathfinding optimizan la ruta de los vehículos repartidores. El algoritmo considera factores como la distancia, las condiciones del tráfico y los plazos de entrega para crear la ruta más eficiente.
• Gestión de inventarios: pathfinding se utiliza en la gestión de inventarios o de almacenes para optimizar la disposición de las mercancías. De este modo, se garantiza que las mercancías se almacenen en las posiciones idóneas, lo cual reduce el esfuerzo y tiempo necesarios para retirar y entregar las mercancías.
• Gestión de la cadena de suministros: los algoritmos de pathfinding se utilizan para optimizar toda la cadena de suministros, desde su inicio hasta la entrega, lo cual garantiza que los productos se transporten de la forma más eficiente y económica posible.

Pathfinding en los videojuegos

Pathfinding en una herramienta importante en los videojuegos, permite crear mundos de juego realistas e impresionantes. Pathfinding es una técnica que permite a las unidades y a los personajes no jugadores (PNJ) desplazarse por el mundo del juego de forma realista y eficaz. Los algoritmos de pathfinding se utilizan para determinar el camino óptimo para el movimiento de los PNJ, que evitan obstáculos y otros peligros.

En los videojuegos, pathfinding se utiliza, entre otras, para desempeñar las siguientes tareas:

• PNJ enemigos: pathfinding se utiliza para controlar el comportamiento de los PNJ enemigos. De esta forma, los PNJ pueden seguir al jugador mientras evitan obstáculos y otros peligros.
• Control de unidades: pathfinding se utiliza para controlar el movimiento de las unidades amigas dentro del mundo del juego. Esto puede incluir el guiar a los PNJ a su destino o seguir al personaje del jugador.
• Evitar obstáculos: los algoritmos de pathfinding garantizan que las unidades eviten obstáculos como muros, acantilados u otros peligros.
• Generar mapas y niveles: los algoritmos de pathfinding también se utilizan para generar mapas o niveles mediante procedimientos, lo cual permite crear mundos de juego realistas y distintos.

Pathfinding en el enrutamiento de redes

Pathfinding se utiliza en el enrutamiento de redes para encontrar las rutas óptimas para los paquetes de datos a través de una red. Los algoritmos de pathfinding ofrecen a los administradores de red la posibilidad de mejorar el rendimiento de la red en función de las circunstancias particulares. Entre los usos más comunes de pathfinding en el enrutamiento de redes se encuentran los siguientes:

• Ingeniería de tráfico: los algoritmos de pathfinding ayudan a optimizar las redes de tráfico y a minimizar la congestión. Los algoritmos de pathfinding analizan la topología de la red y los patrones de tráfico para identificar las rutas más eficientes en la transferencia de paquetes de datos a través de la red.
• Calidad de servicio (o Quality of Service, QoS): los algoritmos de pathfinding pueden utilizarse para priorizar el tráfico de la red en función de los requisitos de calidad de servicio. Por ejemplo, los datos en los que el tiempo es un factor crítico, como los flujos de VoIP o vídeo, tienen preferencia a la hora de ser enrutados. La priorización forma parte de la función de costes.
• Equilibrio de la carga: hay algoritmos de pathfinding especialmente adaptados para distribuir el tráfico de la red a través de diferentes rutas. Los algoritmos de pathfinding facilitan el equilibrio de la carga para ayudar a mejorar el rendimiento de la red y reducir el riesgo de congestión.
• Seguridad ante fallos: los algoritmos de pathfinding se utilizan para encontrar rutas alternativas para el flujo de datos cuando se producen fallos en la red, lo cual garantiza que los paquetes de datos se entreguen de forma fiable cuando falla un componente de la red.

Pathfinding en la planificación del transporte

Pathfinding se utiliza en el sistema de transporte para optimizar el flujo de tráfico y reducir la congestión. Los algoritmos de pathfinding ayudan a los ingenieros de tráfico a diseñar redes de tráfico eficientes y a desarrollar estrategias para mejorar la circulación. A continuación, tienes algunas de las utilidades más importantes de pathfinding en el sistema de transporte:

• Planificación de rutas: los algoritmos de pathfinding se utilizan para planificar las rutas óptimas de los vehículos, evitando zonas congestionadas. Esto mejora la fluidez del tráfico y reduce los retrasos.
• Optimización de semáforos: los algoritmos de pathfinding permiten optimizar la sincronización de los semáforos en función del tráfico y de su intensidad. Sincronizar los semáforos y ajustar los horarios puede mejorar la circulación.
• Gestión de incidentes: los algoritmos de pathfinding se utilizan para identificar las rutas alternativas de los vehículos en caso de accidentes o cortes en las carreteras. De esta forma, pathfinding ayuda a reducir la congestión y a mejorar la fluidez del tráfico en las zonas afectadas.
• Transporte público: los algoritmos de pathfinding se pueden utilizar para optimizar las rutas y los horarios del transporte público. Esto ayuda a mejorar la eficiencia de los sistemas de transporte público y a reducir la congestión del tráfico.

¿Qué algoritmos de pathfinding existen?

Los retos de pathfinding surgen de las restricciones de espacio de cada proyecto. Hay que tener en cuenta los obstáculos que obstruyen el camino directo, así como los costes de desplazarse por el espacio. Los costes pueden ser de varios tipos, por ejemplo, un camino puede ser más económico desde el punto de vista energético, pero requiere un mayor tiempo de desplazamiento.

En ocasiones, es necesario incluir ciertos puntos fijos en la trayectoria; así el algoritmo de pathfinding garantiza que el desplazamiento por el espacio no se haga en círculos. En general, se debe encontrar una ruta óptima de la forma más rápida y eficiente, sobre todo si se lleva a cabo en tiempo real.

Algunos de los algoritmos de pathfinding más habituales son los siguientes:

• Breadth First Search (BFS): conocido como búsqueda en anchura, explora todos los nodos vecinos al punto de partida antes de pasar al siguiente nivel de nodo y lo hace de forma iterativa hasta alcanzar el objetivo.
• Algoritmo de Dijkstra: explora el grafo, recorriendo primero el nodo inexplorado más cercano al punto de partida y actualizando iterativamente la distancia de todos los nodos desde el punto de partida hasta alcanzar el objetivo.
• Búsqueda A*: combina las ideas del BFS y del algoritmo de Dijkstra, utilizando una función heurística para guiar la búsqueda hasta el nodo objetivo.
• Búsqueda voraz primero el mejor: selecciona el siguiente nodo a explorar, basándose en una estimación heurística de la distancia al nodo objetivo.
• Búsqueda bidireccional: busca simultáneamente desde los nodos de inicio y destino hasta el centro del grafo para encontrar el camino más corto.