O que é pathfinding em informática?

Os algoritmos de pathfinding estão entre os mais conhecidos e mais usados. Mostramos como o pathfinding funciona e para que ele é usado.

O que é pathfinding?

Pathfinding, também conhecido como wayfinding, é um problema fundamental na ciência da computação. Trata-se de encontrar o caminho mais curto ou mais eficiente entre dois pontos. Os algoritmos de Pathfinding são essenciais em vários cenários de aplicativos, e há muitos algoritmos diferentes disponíveis para resolver esse problema.

Como funciona o pathfinding e para que ele é usado

Para iniciar um algoritmo de pathfinding <a href=“t3://page?uid=24311”></a>, o problema é normalmente representado como um gráfico ou grade. Um gráfico consiste em nós conectados por bordas, como um fluxograma. Como alternativa, pode ser usada uma grade, que é uma matriz bidimensional de células, como um tabuleiro de xadrez. Os nós ou células representam locais no espaço do problema, e as bordas ou células adjacentes representam os possíveis caminhos entre eles. Os algoritmos de Pathfinding utilizam uma série de técnicas para descobrir o caminho entre dois pontos quando o problema é representado como um gráfico ou grade. Normalmente, esses algoritmos têm como objetivo identificar o caminho mais curto ou menos dispendioso e, ao mesmo tempo, ser o mais eficiente possível.

Os algoritmos de Pathfinding têm muitas aplicações na ciência da computação, incluindo:

• Robotics: Os algoritmos de localização de caminhos são usados para ajudar os robôs autônomos a navegar em ambientes complexos. Pense em carros autônomos ou aspiradores de pó inteligentes que navegam sozinhos pela casa.
• Videogames: em videogames, os algoritmos de pathfinding são usados para controlar os movimentos de personagens que não são jogadores (NPCs). Em um jogo de estratégia em tempo real, se você clicar para enviar unidades para a base inimiga, também serão usados algoritmos de pathfinding.
• Logistics: Os algoritmos de localização de caminhos são usados na logística para encontrar a maneira mais eficiente de transportar mercadorias ou pessoas.
• Planejamento de tráfego: Os algoritmos de localização de caminhos são usados para planejar as melhores rotas para o tráfego de uma cidade, evitando o congestionamento.
• Roteamento de rede: em redes de computadores, os algoritmos de pathfinding são usados para encontrar o caminho mais rápido para a transmissão de dados entre diferentes nós da rede. Vejamos algumas aplicações possíveis de pathfinding em detalhes.

Pathfinding em logística

O Pathfinding em logística consiste em encontrar a melhor rota para o transporte de mercadorias. Uma rota ideal minimiza os custos e o tempo de viagem e, ao mesmo tempo, garante a segurança dos produtos transportados. Portanto, o pathfinding na logística é uma ferramenta essencial para otimizar a movimentação de mercadorias e reduzir os custos.

Vamos ilustrar com alguns exemplos como o pathfinding é usado na logística:

• Roteamento de veículos: No transporte de carga, os algoritmos de pathfinding otimizam a rota dos veículos de entrega. O algoritmo considera fatores como distância, condições de tráfego e restrições de tempo de entrega para criar a rota mais eficiente.
• Gerenciamento de estoque: O Pathfinding é usado no gerenciamento de estoque ou de armazém para otimizar a colocação de mercadorias. Isso garante que as mercadorias sejam armazenadas em posições ideais. Isso reduz o esforço e o tempo necessários para a recuperação e a entrega de mercadorias.
• Gerenciamento da cadeia de suprimentos: Os algoritmos de pathfinding são usados para otimizar toda a cadeia de suprimentos, desde a origem até a entrega. Isso garante que os produtos sejam transportados da forma mais eficiente e econômica possível.

Pathfinding em videogames

O Pathfinding é uma técnica crucial para a criação de mundos de jogo imersivos e realistas em videogames. Ele permite que personagens não-jogadores (NPCs) e unidades se movimentem pelo mundo do jogo de forma eficiente e realista. Os algoritmos de localização de caminhos são usados para identificar o caminho ideal para os movimentos dos NPCs e, ao mesmo tempo, evitar obstáculos e outros perigos para garantir uma jogabilidade contínua e agradável.

Nos videogames, o pathfinding é usado para as seguintes tarefas, entre outras:

• NPCs inimigos: O Pathfinding é usado para controlar o comportamento dos NPCs inimigos. Isso permite que os NPCs sigam o jogador enquanto evitam obstáculos e outros perigos.
• Unit control: O Pathfinding controla o movimento de unidades amigas no mundo do jogo. Isso pode incluir a orientação de NPCs até o destino ou o acompanhamento do personagem do jogador.
• Prevenção de obstáculos: Os algoritmos de localização de caminho garantem que as unidades evitem obstáculos como paredes, penhascos ou outros perigos.
• Geração de mapa/nível: Os algoritmos de pathfinding também são usados para a geração processual de mapas ou níveis. Isso permite a criação de mundos de jogos realistas e variados.

Pathfinding no roteamento de rede

O Pathfinding é usado no roteamento de rede para encontrar caminhos ideais para pacotes de dados em uma rede. Os algoritmos de Pathfinding permitem que os administradores de rede aprimorem o desempenho da rede com base em circunstâncias específicas. Ele é utilizado em vários aplicativos de roteamento de rede, incluindo:

• Engenharia de tráfego: Os algoritmos de localização de caminhos otimizam o tráfego da rede e minimizam o congestionamento. Ao analisar a topologia da rede e os padrões de tráfego, os algoritmos de pathfinding podem identificar os caminhos mais eficientes para os pacotes de dados na rede.
• Qualidade de serviço (QoS): Os algoritmos de pathfinding também são empregados para priorizar o tráfego de rede com base nos requisitos de Qualidade de Serviço (QoS) . Por exemplo, dados com tempo crítico, como voz sobre IP (VoIP) ou fluxos de vídeo, recebem roteamento prioritário pela rede. A priorização é integrada à função de custo como parte dos algoritmos de localização de caminhos.
• Balanceamento de carga: algoritmos de pathfinding especialmente adaptados são usados para distribuir o tráfego de rede por vários caminhos. Por meio do balanceamento de carga, os algoritmos de pathfinding ajudam a melhorar o desempenho da rede e a reduzir o risco de congestionamento.
• Reliability: Os algoritmos de pathfinding são usados para encontrar caminhos alternativos para o fluxo de dados no caso de falhas na rede. Isso garante que os pacotes de dados sejam entregues de forma confiável se um componente da rede falhar.

Pathfinding no planejamento de tráfego

O Pathfinding é usado no transporte para otimizar o fluxo de tráfego e reduzir o congestionamento. Os algoritmos de pathfinding ajudam os engenheiros de tráfego a projetar redes de tráfego eficientes e a desenvolver estratégias para melhorar o fluxo de tráfego. Algumas das aplicações mais importantes do pathfinding no transporte incluem:

• Planejamento de rotas: Os algoritmos de localização de caminhos são usados para planejar rotas ideais para os veículos, evitando áreas congestionadas. Isso melhora o fluxo do tráfego e reduz os atrasos.
• Otimização de semáforos: Os algoritmos de localização de caminhos podem ser usados para otimizar a troca de sinais de trânsito com base nos padrões e na demanda de tráfego. A sincronização dos semáforos e o ajuste das programações podem melhorar o fluxo de tráfego.
• Gerenciamento de eventos: Os algoritmos de pathfinding são usados para identificar rotas alternativas para veículos em caso de acidentes ou fechamento de estradas. Dessa forma, o pathfinding ajuda a reduzir o congestionamento e a melhorar o fluxo de tráfego nas áreas afetadas.
• Transporte público: Os algoritmos de localização de caminhos podem ser usados para otimizar as rotas e os horários do transporte público. Isso pode ajudar a melhorar a eficiência dos sistemas de transporte público e reduzir o congestionamento do tráfego.

Quais algoritmos de localização de caminhos existem?

A complexidade do pathfinding surge devido às restrições do espaço específico do problema. Isso significa que os algoritmos de localização de caminhos devem considerar todos os obstáculos que bloqueiam o caminho direto e os custos associados à navegação no espaço. Os custos podem ser multidimensionais, como a compensação entre caminhos energeticamente favoráveis que exigem mais tempo de viagem e rotas mais rápidas que demandam mais energia. Em certos casos, pontos definidos devem ser incluídos no caminho, e os algoritmos de localização de caminhos garantem que o usuário não acabe andando em círculos ao navegar pelo espaço. Normalmente, o objetivo dos algoritmos de localização de caminhos é identificar um caminho ideal da forma mais eficiente possível, principalmente quando a localização de caminhos em tempo real é necessária.

Alguns algoritmos comuns de pathfinding são:

• Breadth-first search (BFS): Esse algoritmo explora todos os nós vizinhos do ponto de partida antes de passar para o próximo nível de nós até que o objetivo seja alcançado.
• Algoritmo Dijkstra: esse algoritmo explora o gráfico visitando primeiro um nó inexplorado mais próximo do ponto de partida e, em seguida, atualizando repetidamente a distância de todos os nós do ponto de partida até que a meta seja alcançada.
• A* search: esse algoritmo combina as ideias do BFS e do algoritmo de Dijkstra usando uma função heurística para orientar a busca até o nó de destino.
• Greedy best-first search: esse algoritmo seleciona o próximo nó a ser explorado com base em uma estimativa heurística da distância até o nó de destino.
• Bidirectional search: esse algoritmo pesquisa simultaneamente os nós inicial e de destino em direção ao centro do gráfico para determinar o caminho mais curto entre eles.