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.