Pathfinding: trovare il percorso minimo in informatica

Gli algoritmi di pathfinding sono tra i più noti e utilizzati. Ti spieghiamo come funziona il pathfinding e a cosa serve.

Cos’è il pathfinding?

Il pathfinding è un problema fondamentale dell’informatica. Consiste nel trovare il percorso più breve o più efficiente tra due punti. Esiste una varietà di algoritmi di pathfinding che vengono utilizzati in diversi scenari.

Come funziona il pathfinding e a cosa serve?

Un algoritmo di pathfinding di solito inizia rappresentando il problema come un grafo o una griglia. Un grafo è un insieme di nodi collegati da spigoli; per esempio, immagina un diagramma di flusso. Una griglia è una matrice bidimensionale di celle, come una scacchiera. I nodi o le celle rappresentano le posizioni nello spazio di base, mentre gli spigoli o le celle adiacenti rappresentano i possibili percorsi tra di esse.

Una volta rappresentato il problema come un grafo o una griglia, gli algoritmi di pathfinding utilizzano varie tecniche per trovare il percorso tra due punti. Di solito, l’obiettivo è quello di trovare il percorso più breve o più conveniente, che risulti anche il più efficiente possibile.

Gli algoritmi di pathfinding hanno molte applicazioni in informatica, tra cui:

• Robotica: gli algoritmi di pathfinding sono utilizzati per aiutare i robot autonomi a navigare in ambienti complessi. Ti basti pensare alle auto a guida autonoma o agli aspirapolvere intelligenti che vanno in giro per casa da soli.
• Videogiochi: nei videogiochi, gli algoritmi di pathfinding vengono utilizzati per controllare i movimenti dei personaggi non giocanti (PNG). Se si fa clic per inviare unità alla base nemica in un gioco di strategia in tempo reale, si utilizzano anche algoritmi di pathfinding.
• Logistica: gli algoritmi di pathfinding vengono utilizzati nella logistica per trovare il modo più efficiente di trasportare merci o persone.
• Pianificazione del traffico: gli algoritmi di pathfinding vengono utilizzati per pianificare i percorsi migliori per evitare il traffico in città.
• Instradamento delle reti: nelle reti di computer, gli algoritmi di pathfinding vengono utilizzati per trovare il percorso più veloce per la trasmissione dei dati tra i diversi nodi della rete.

Vediamo in dettaglio alcune possibili applicazioni del pathfinding.

Pathfinding nella logistica

Il pathfinding nella logistica consiste nel trovare il miglior percorso per il trasporto delle merci. Un percorso ottimale riduce al minimo i costi e i tempi del tragitto, garantendo al contempo la sicurezza dei prodotti trasportati. Il pathfinding nella logistica è quindi uno strumento decisivo per ottimizzare il movimento delle merci e ridurre i costi.

Utilizziamo alcuni esempi per illustrare l’uso del pathfinding nella logistica:

• Instradamento dei veicoli: nel trasporto merci, gli algoritmi di pathfinding ottimizzano il percorso dei veicoli adibiti alla consegna. L’algoritmo considera fattori come la distanza, le condizioni del traffico e i vincoli di tempo per la consegna per trovare il percorso più efficiente.
• Gestione dell’inventario: il pathfinding viene utilizzato nella gestione dell’inventario o del magazzino per ottimizzare il posizionamento delle merci. In questo modo si garantisce che le merci siano immagazzinate nelle posizioni ottimali e si riducono lo sforzo e il tempo necessari per recuperare e consegnare le merci.
• Gestione della catena di approvvigionamento: gli algoritmi di pathfinding vengono utilizzati per ottimizzare l’intera catena di approvvigionamento, dalla fase iniziale alla consegna. In questo modo si garantisce che i prodotti siano trasportati nel modo più efficiente e conveniente possibile.

Pathfinding nei videogiochi

Il pathfinding nei videogiochi è uno strumento importante per creare mondi di gioco di grande effetto e realistici. Questa tecnica consente alle unità e ai personaggi non giocanti (PNG) di muoversi nel mondo di gioco in modo realistico ed efficiente. Gli algoritmi di pathfinding vengono utilizzati per determinare il percorso ottimale per il movimento dei PNG, evitando ostacoli e altri pericoli.

Nei videogiochi, il pathfinding viene utilizzato, tra l’altro, per i seguenti compiti:

• PNG nemici: il pathfinding viene utilizzato per controllare il comportamento dei PNG nemici. Ciò consente ai PNG di seguire il giocatore evitando ostacoli e altri pericoli.
• Controllo dell’unità: il pathfinding viene utilizzato per controllare il movimento delle unità amiche nel mondo di gioco. Questo può includere azioni, come condurre i PNG a destinazione o seguire il personaggio del giocatore.
• Schivamento degli ostacoli: gli algoritmi di pathfinding assicurano che le unità evitino ostacoli come muri, dirupi o altri pericoli.
• Generazione di mappe e livelli: gli algoritmi di pathfinding sono utilizzati anche per la generazione procedurale di mappe o livelli. Ciò consente di creare mondi di gioco realistici e variegati.

Pathfinding nel routing di rete

Il pathfinding viene utilizzato nell’instradamento di rete per trovare percorsi ottimali per i pacchetti di dati attraverso una rete. Gli algoritmi di pathfinding offrono agli amministratori di rete la possibilità di migliorare le prestazioni della rete in base alle circostanze. Le applicazioni più comuni del pathfinding nel routing di rete includono:

• Ingegneria del traffico: gli algoritmi di pathfinding aiutano a ottimizzare il traffico di rete e a ridurre al minimo la congestione. Analizzando la topologia della rete e i modelli di traffico, essi possono identificare i percorsi più efficienti per i pacchetti di dati attraverso la rete.
• Qualità del servizio (QoS): gli algoritmi di pathfinding possono essere utilizzati per dare priorità al traffico di rete in base ai requisiti QoS. Ad esempio, i dati critici dal punto di vista temporale, come i flussi VoIP o video, vengono instradati in modo preferenziale attraverso la rete. La priorità viene utilizzata come parte della funzione di costo.
• Bilanciamento del carico: gli algoritmi di pathfinding appositamente adattati vengono utilizzati per distribuire il traffico di rete su più percorsi. Attraverso il bilanciamento del carico, questi contribuiscono a migliorare le prestazioni della rete e a ridurre il rischio di congestione.
• Protezione contro i malfunzionamenti: gli algoritmi di pathfinding vengono utilizzati per trovare percorsi alternativi per il flusso di dati in caso di guasti alla rete. Ciò garantisce che i pacchetti di dati vengano consegnati in modo affidabile se un componente della rete si guasta.

Pathfinding nella pianificazione dei trasporti

Il pathfinding viene utilizzato nei trasporti per ottimizzare il traffico e ridurre la congestione. I relativi algoritmi aiutano gli ingegneri e le ingegnere del traffico a progettare reti efficienti e a sviluppare strategie per migliorare il traffico. Alcune delle applicazioni più importanti del pathfinding nei trasporti sono:

• Pianificazione del percorso: gli algoritmi di pathfinding vengono utilizzati per pianificare i percorsi ottimali per i veicoli, evitando le aree congestionate. Questo migliora il traffico e riduce i ritardi.
• Ottimizzazione dei semafori: gli algoritmi di pathfinding possono essere utilizzati per ottimizzare la commutazione dei semafori in base al traffico. La sincronizzazione dei semafori e la regolazione degli orari possono migliorare le condizioni del traffico.
• Gestione degli eventi: gli algoritmi di pathfinding vengono utilizzati per identificare percorsi alternativi per i veicoli in caso di incidenti o di chiusura delle strade. In questo modo, si contribuisce a ridurre la congestione e a migliorare il traffico nelle aree interessate.
• Trasporto pubblico: gli algoritmi di pathfinding possono essere utilizzati per ottimizzare i percorsi e gli orari del trasporto pubblico. Ciò contribuisce a migliorare l’efficienza dei sistemi di trasporto pubblico e a ridurre la congestione del traffico.

Quali algoritmi di pathfinding esistono?

Le sfide del pathfinding derivano dai vincoli dello spazio di base specifico. Ad esempio, si deve tener conto degli ostacoli che bloccano il percorso diretto e dei costi di spostamento nello spazio. I costi possono essere multidimensionali, ad esempio se un percorso è energeticamente più favorevole ma richiede un tempo di percorrenza maggiore.

È possibile che nel percorso debbano essere inclusi dei punti fissi; un algoritmo di pathfinding assicura che durante il movimento nello spazio non si corra il rischio di camminare in cerchio. In generale, un percorso ottimale deve essere trovato nel modo più efficiente possibile, soprattutto se il pathfinding deve avvenire in tempo reale.

Alcuni algoritmi di pathfinding comuni sono:

• Breadth-First Search (BFS): questo algoritmo esplora tutti i nodi vicini al punto di partenza prima di passare al livello successivo di nodi fino a raggiungere la destinazione.
• Algoritmo di Dijkstra: questo algoritmo esplora il grafo visitando prima un nodo inesplorato più vicino al punto di partenza e poi aggiorna iterativamente la distanza di tutti i nodi dal punto di partenza fino al raggiungimento della meta.
• Algoritmo di ricerca A*: questo algoritmo combina le idee di BFS e dell’algoritmo di Dijkstra utilizzando una funzione euristica per guidare la ricerca verso il nodo di destinazione.
• Ricerca Best-First: questo algoritmo seleziona il nodo successivo da esplorare in base a una stima euristica della distanza dal nodo di destinazione.
• Ricerca bidirezionale: questo algoritmo cerca simultaneamente dai nodi di partenza e di destinazione, partendo dal centro del grafo, per trovare il percorso più breve.