Pathfinding : trouver son chemin dans l’informatique

Les algorithmes de pathfinding font partie des algorithmes les plus connus et les plus utilisés. Nous montrons comment fonctionne le pathfinding et à quoi il sert.

Qu’est-ce que le pathfinding ?

Le pathfinding, également connu sous le nom de recherche de chemin, est un problème fondamental en informatique. Le pathfinding consiste à trouver le chemin le plus court ou le plus efficace entre deux points. Il existe une multitude d’algorithmes de pathfinding utilisés dans différents scénarios d’application.

Comment fonctionne le pathfinding et à quoi sert-il ?

Un algorithme de pathfinding commence généralement par représenter le problème sous forme de graphe ou de grille. Un graphe est une collection de nœuds reliés par des arêtes ; par exemple, imaginez un diagramme de flux. Une grille est un champ bidimensionnel de cellules, comme un échiquier. Les nœuds ou les cellules représentent des emplacements dans l’espace du problème, tandis que les arêtes ou les cellules voisines représentent les chemins possibles entre eux.

Une fois le problème représenté sous forme de graphe ou de grille, les algorithmes de pathfinding utilisent différentes techniques pour trouver le chemin entre deux points. En général, les algorithmes visent à trouver le chemin le plus court ou le moins cher tout en étant aussi efficaces que possible.

Les algorithmes de pathfinding ont de nombreuses applications en informatique, notamment dans :

• La robotique : les algorithmes de pathfinding sont utilisés pour aider les robots autonomes à naviguer dans des environnements complexes. On pense par exemple aux voitures qui se conduisent toutes seules ou aux aspirateurs intelligents qui se déplacent tout seuls dans la maison.
• Les jeux vidéo : dans les jeux vidéo, les algorithmes de pathfinding sont utilisés pour contrôler les mouvements des personnages non joueurs (PNJ). Dans un jeu de stratégie en temps réel, si l’on envoie des unités dans la base ennemie en cliquant dessus, on utilise également des algorithmes de pathfinding.
• La logistique : les algorithmes de pathfinding sont utilisés dans la logistique pour trouver le chemin le plus efficace pour le transport de marchandises ou de personnes.
• La planification du trafic : les algorithmes de pathfinding sont utilisés pour planifier les meilleurs itinéraires pour le trafic d’une ville, tout en évitant les embouteillages.
• Le routage de réseau : dans les réseaux informatiques, les algorithmes de pathfinding sont utilisés pour trouver le chemin le plus rapide pour la transmission des données entre les différents nœuds du réseau.

Voyons en détail quelques applications possibles du pathfinding.

Le pathfinding dans la logistique

Le pathfinding en logistique consiste à trouver le meilleur itinéraire pour le transport de marchandises. Un itinéraire optimal minimise les coûts et le temps de trajet tout en garantissant la sécurité des produits transportés. Le pathfinding est donc un outil décisif dans la logistique pour optimiser le déplacement des marchandises et réduire les coûts.

Prenons quelques exemples pour illustrer comment le pathfinding est utilisé dans la logistique :

• Routage des véhicules : dans le transport de marchandises, les algorithmes de pathfinding optimisent l’itinéraire des véhicules de livraison. L’algorithme prend en compte des facteurs tels que la distance, les conditions de circulation et les contraintes de temps de livraison afin de créer l’itinéraire le plus efficace.
• Gestion des stocks : le pathfinding est utilisé dans la gestion des stocks pour optimiser le placement des marchandises. Cela permet de s’assurer que les marchandises sont stockées dans les positions optimales. Cela permet de réduire le temps et les efforts consacrés à la collecte et à la livraison des marchandises.
• Gestion de la chaîne d’approvisionnement : les algorithmes de pathfinding sont utilisés pour optimiser l’ensemble de la chaîne logistique, de son origine à sa livraison. Ils garantissent ainsi que les produits sont transportés le plus efficacement et le plus économiquement possible.

Le pathfinding dans les jeux vidéo

Le pathfinding dans les jeux vidéo est un outil important pour créer des mondes de jeu impressionnants et réalistes. La technologie permet aux unités et aux personnages non joueurs (NPCs pour Non-player characters) de se déplacer de manière réaliste et efficace dans le monde du jeu. Des algorithmes de pathfinding sont utilisés pour déterminer le chemin optimal pour le déplacement des PNJ, en évitant les obstacles et autres dangers.

Dans les jeux vidéo, le pathfinding est utilisé, entre autres, pour les tâches suivantes :

• PNJ ennemis : le pathfinding est utilisé pour contrôler le comportement des PNJ ennemis. Les PNJ peuvent ainsi suivre le joueur tout en évitant les obstacles et autres dangers.
• Contrôle des unités : le pathfinding permet de contrôler le déplacement des unités amies dans le monde du jeu. Il peut s’agir de guider les PNJ vers leur destination ou de suivre le personnage du joueur.
• Evitement des obstacles : les algorithmes de pathfinding garantissent que les unités évitent les obstacles tels que les murs, les falaises ou autres dangers.
• Génération de cartes / de niveaux : les algorithmes de pathfinding sont également utilisés pour la génération procédurale de cartes ou de niveaux. Cela permet de créer des mondes de jeu réalistes et variés.

Le pathfinding pour le routage réseau

Le pathfinding est utilisé dans le routage réseau pour trouver les chemins optimaux pour les paquets de données à travers un réseau. Les algorithmes de pathfinding offrent aux administrateurs réseau la possibilité d’améliorer les performances du réseau en fonction des circonstances. Les applications courantes du pathfinding dans le routage réseau sont les suivantes :

• Ingénierie de trafic : les algorithmes de pathfinding permettent d’optimiser le trafic réseau et de minimiser la congestion. En analysant la topologie du réseau et les modèles de trafic, les algorithmes de pathfinding permettent d’identifier les chemins les plus efficaces pour les paquets de données à travers le réseau.
• Qualité de service (QoS) : les algorithmes de recherche de chemin permettent de prioriser le trafic réseau en fonction des exigences de qualité de service. Par exemple, les données ayant des exigences de temps comme la VoIP ou les streaming vidéo sont acheminés en priorité à travers le réseau. La priorisation est utilisée dans le cadre de la fonction de coût.
• Équilibrage de charge : des algorithmes de pathfinding spécialement adaptés sont utilisés pour répartir le trafic réseau sur plusieurs chemins. Grâce à l’équilibrage de charge, les algorithmes de pathfinding contribuent à améliorer les performances du réseau et à réduire le risque de congestion.
• Résistance aux pannes : les algorithmes de pathfinding sont utilisés pour trouver des chemins alternatifs pour le flux de données en cas de panne de réseau. Cela permet de garantir la livraison fiable des paquets de données en cas de défaillance d’un composant réseau.

Le pathfinding dans la planification des transports

Le pathfinding est utilisé dans le domaine des transports pour optimiser le flux de la circulation et réduire les embouteillages. Les algorithmes de pathfinding aident les ingénieurs en transports à concevoir des réseaux de transport efficaces et à développer des stratégies pour améliorer la fluidité du trafic. Voici quelques-unes des principales applications du pathfinding dans le domaine des transport.

• Planification d’itinéraires : les algorithmes de pathfinding sont utilisés pour planifier des itinéraires optimaux pour les véhicules tout en évitant les zones surchargées. Cela permet d’améliorer la fluidité du trafic et de réduire les retards.
• Optimisation des feux de circulation : les algorithmes de pathfinding peuvent être utilisés pour optimiser la commutation des feux de circulation en fonction des modèles de trafic et de la demande. La synchronisation des feux de circulation et l’ajustement des horaires peuvent améliorer la fluidité du trafic.
• Gestion des événements : les algorithmes de pathfinding sont utilisés pour identifier des itinéraires alternatifs pour les véhicules en cas d’accident ou de fermeture de route. Le pathfinding permet ainsi de réduire les embouteillages et d’améliorer la fluidité du trafic dans les zones concernées.
• Transports publics : les algorithmes de pathfinding permettent d’optimiser les voies de transport public et les horaires. Cela contribue à améliorer l’efficacité des systèmes de transport public et à réduire la congestion du trafic.

Quels sont les algorithmes de pathfinding existants ?

Les défis du pathfinding découlent des contraintes de l’espace problématique spécifique. Il faut donc tenir compte des obstacles qui bloquent le chemin direct, ainsi que des éventuels coûts de déplacement dans l’espace. Les coûts peuvent être multidimensionnels, par exemple lorsqu’un chemin est moins cher du point de vue énergétique, mais qu’il nécessite un temps de déplacement plus long.

Le cas échéant, des points définis doivent être inclus dans le chemin ; un algorithme de pathfinding garantit alors que le déplacement dans l’espace ne se fait pas en rond. En général, un chemin optimal doit être trouvé le plus efficacement possible, surtout si la recherche de chemin doit avoir lieu en temps réel.

Quelques algorithmes courants de pathfinding sont :

• Breadth-First Search (BFS) : cet algorithme explore tous les nœuds voisins du point de départ avant de passer au niveau suivant de nœuds jusqu’à ce que la cible soit atteinte.
• Algorithme de Dijkstra : l’algorithme explore le graphe en visitant d’abord un nœud inexploré le plus proche du point de départ, puis en mettant à jour itérativement la distance de tous les nœuds par rapport au point de départ jusqu’à ce que l’objectif soit atteint.
• Recherche A* : cet algorithme combine les idées du BFS et de l’algorithme de Dijkstra en utilisant une fonction heuristique pour guider la recherche vers le nœud cible.
• Algorithme glouton de recherche Best-First : avec cet algorithme, le prochain nœud à explorer est sélectionné en se basant sur une estimation heuristique de la distance au nœud cible.
• Recherche bidirectionnelle : à partir du nœud de départ et du nœud d’arrivée, cet algorithme cherche simultanément vers le centre du graphe pour trouver le chemin le plus court.