Pathfinding: Wegfindung in der Informatik

Pathfinding-Algorithmen gehören zu den bekanntesten und am häufigsten zum Einsatz kommenden Algorithmen. Wir zeigen, wie Pathfinding funktioniert und wofür es eingesetzt wird.

Was ist Pathfinding?

Pathfinding, auch bekannt als Wegfindung, ist ein grundlegendes Problem in der Informatik. Beim Pathfinding geht es darum, den kürzesten oder effizientesten Weg zwischen zwei Punkten zu finden. Es gibt eine Vielzahl an Pathfinding-Algorithmen, die in verschiedenen Anwendungsszenarien zum Einsatz kommen.

Wie funktioniert Pathfinding und wofür wird es eingesetzt?

Ein Pathfinding-Algorithmus beginnt in der Regel damit, das Problem als Graph oder Gitter darzustellen. Ein Graph ist eine Sammlung von Knoten, die durch Kanten verbunden sind; beispielshalber stelle man sich ein Flussdiagramm vor. Bei einem Gitter handelt es sich um ein zweidimensionales Feld von Zellen, wie ein Schachbrett. Die Knoten oder Zellen repräsentieren Standorte im Problemraum, während die Kanten oder benachbarte Zellen die möglichen Wege dazwischen darstellen.

Sobald das Problem als Graph oder Gitter dargestellt ist, verwenden Pathfinding-Algorithmen verschiedene Techniken, um den Weg zwischen zwei Punkten zu finden. Für gewöhnlich zielen die Algorithmen darauf ab, den kürzesten oder günstigsten Weg zu finden und dabei so effizient wie möglich vorzugehen.

Pathfinding-Algorithmen haben viele Anwendungen in der Informatik, darunter:

• Robotik: Pathfinding-Algorithmen werden verwendet, um autonome Roboter bei der Navigation durch komplexe Umgebungen zu unterstützen. Man denke an selbstfahrende Autos oder smarte Staubsauger, die das Eigenheim selbsttätig durchfahren.
• Videospiele: In Videospielen werden Pathfinding-Algorithmen verwendet, um die Bewegungen von Nicht-Spieler-Charakteren (NPCs) zu steuern. Sendet man in einem Echtzeit-Strategiespiel Einheiten per Klick in die gegnerische Basis, kommen ebenfalls Pathfinding-Algorithmen zum Einsatz.
• Logistik: Pathfinding-Algorithmen kommen in der Logistik zum Einsatz, um den effizientesten Weg für den Transport von Waren oder Personen zu finden.
• Verkehrsplanung: Pathfinding-Algorithmen werden verwendet, um die besten Wege für den Verkehr einer Stadt zu planen und dabei Staus zu vermeiden.
• Netzwerk-Routing: In Computernetzwerken werden Pathfinding-Algorithmen verwendet, um den schnellsten Weg für die Datenübertragung zwischen verschiedenen Netzwerkknoten zu finden.

Schauen wir uns einige Anwendungsmöglichkeiten von Pathfinding im Detail an.

Pathfinding in der Logistik

Beim Pathfinding in der Logistik geht darum, die beste Route für den Transport von Gütern zu finden. Eine optimale Route minimiert Kosten und Reisezeit und gewährleistet gleichzeitig die Sicherheit der transportierten Produkte. Damit ist Pathfinding in der Logistik ein entscheidendes Werkzeug zur Optimierung der Bewegung von Gütern und zur Kostenreduzierung.

Veranschaulichen wir uns an einer Handvoll Beispiele, wie in der Logistik Pathfinding eingesetzt wird:

• Fahrzeugrouting: Bei der Güterbeförderung optimieren Pathfinding-Algorithmen die Route von Lieferfahrzeugen. Der Algorithmus berücksichtigt Faktoren wie Entfernung, Verkehrsbedingungen und Lieferzeitbeschränkungen, um die effizienteste Route zu erstellen.
• Bestandsmanagement: Pathfinding wird im Bestandsmanagement bzw. der Lagerverwaltung verwendet, um die Platzierung von Gütern zu optimieren. Dies stellt sicher, dass die Güter an den jeweils optimalen Positionen gelagert werden. So werden Aufwand und Zeit beim Abruf und der Auslieferung der Güter reduziert.
• Supply-Chain-Management: Pathfinding-Algorithmen kommen zum Einsatz, um die gesamte Lieferkette von ihrem Ursprung bis zur Auslieferung zu optimieren. So wird sichergestellt, dass die Produkte möglichst effizient und kostengünstig transportiert werden.

Pathfinding in Videospielen

Pathfinding in Videospielen ist ein wichtiges Werkzeug zur Erschaffung von eindrucksvollen und realistischen Spielwelten. Die Technik erlaubt Einheiten und Nicht-Spieler-Charakteren („Non-player characters“, NPCs), sich in der Spielwelt realistisch und effizient zu bewegen. Dabei werden Pathfinding-Algorithmen verwendet, um den optimalen Pfad für die Bewegung von NPCs zu bestimmen und dabei Hindernisse und andere Gefahren zu vermeiden.

In Videospielen kommt Pathfinding u. a. für die folgenden Aufgaben zum Einsatz:

• Feindliche NPCs: Pathfinding wird eingesetzt, um das Verhalten von feindlichen NPCs zu steuern. So können NPCs den Spieler verfolgen und dabei Hindernissen und anderen Gefahren ausweichen.
• Einheiten-Steuerung: Per Pathfinding wird die Bewegung von freundlichen Einheiten in der Spielwelt gesteuert. Dies kann das Führen von NPCs zu ihrem Ziel oder das Folgen des Spielercharakters umfassen.
• Hindernisvermeidung: Pathfinding-Algorithmen stellen sicher, dass Einheiten Hindernissen wie Wänden, Klippen oder anderen Gefahren ausweichen.
• Karten- / Levelgenerierung: Auch zur prozeduralen Generierung von Karten oder Leveln kommen Pathfinding-Algorithmen zum Einsatz. Dies ermöglicht die Erstellung realistischer und abwechslungsreicher Spielwelten.

Pathfinding beim Netzwerk-Routing

Pathfinding kommt beim Netzwerk-Routing zum Einsatz, um optimale Wege für Datenpakete durch ein Netzwerk zu finden. Pathfinding-Algorithmen bieten Netzwerkadministratoren die Möglichkeit, angepasst an die jeweiligen Gegebenheiten die Netzwerkperformance zu verbessern. Zu den gängigen Anwendungsmöglichkeiten des Pathfinding im Netzwerk-Routing gehören:

• Traffic Engineering: Pathfinding-Algorithmen helfen, den Netzwerkverkehr zu optimieren und Überlastung zu minimieren. Durch Analyse der Netzwerktopologie und der Verkehrsmuster lassen sich mit Pathfinding-Algorithmen die effizientesten Pfade für Datenpakete durch das Netzwerk identifizieren.
• Quality of Service (QoS): Mithilfe von Pathfinding-Algorithmen lässt sich der Netzwerkverkehr basierend auf QoS-Anforderungen priorisieren. Beispielsweise werden zeitkritische Daten wie VoIP oder Videostreams präferiert durch das Netzwerk geroutet. Dabei kommt die Priorisierung als Teil der Kostenfunktion zum Einsatz.
• Lastenausgleich: Speziell angepasste Pathfinding-Algorithmen werden verwendet, um den Netzwerkverkehr auf mehrere Pfade zu verteilen. Durch die Lastenverteilung helfen Pathfinding-Algorithmen, die Netzwerkperformance zu verbessern und das Risiko von Überlastungen zu reduzieren.
• Ausfallsicherheit: Pathfinding-Algorithmen kommen zum Einsatz, um im Fall von Netzwerkausfällen alternative Pfade für den Datenfluss zu finden. So wird sichergestellt, dass Datenpakete zuverlässig zugestellt werden, wenn eine Netzwerkkomponente ausfällt.

Pathfinding in der Verkehrsplanung

Pathfinding wird im Verkehrswesen verwendet, um den Verkehrsfluss zu optimieren und Staus zu reduzieren. Pathfinding-Algorithmen helfen Verkehrsingenieuren und -ingenieurinnen, effiziente Verkehrsnetze zu entwerfen und Strategien zur Verbesserung des Verkehrsflusses zu entwickeln. Einige der wichtigsten Anwendungen von Pathfinding im Verkehrswesen sind:

• Routenplanung: Pathfinding-Algorithmen kommen zum Einsatz, um optimale Routen für Fahrzeuge zu planen und dabei überlastete Bereiche zu vermeiden. So lassen sich der Verkehrsfluss verbessern und Verzögerungen reduzieren.
• Verkehrsampel-Optimierung: Pathfinding-Algorithmen können eingesetzt werden, um die Schaltung von Verkehrsampeln basierend auf Verkehrsmustern und Verkehrsnachfrage zu optimieren. Die Synchronisierung von Verkehrsampeln und die Anpassung von Zeitplänen kann den Verkehrsfluss verbessern.
• Ereignismanagement: Pathfinding-Algorithmen werden eingesetzt, um alternative Routen für Fahrzeuge im Fall von Unfällen oder Straßensperrungen zu identifizieren. So hilft das Pathfinding, Staus zu reduzieren und den Verkehrsfluss in betroffenen Bereichen zu verbessern.
• Öffentlicher Verkehr: Mittels Pathfinding-Algorithmen lassen sich öffentliche Verkehrswege und Fahrpläne optimieren. Dies trägt dazu bei, die Effizienz von öffentlichen Verkehrssystemen zu verbessern und Verkehrsüberlastungen zu reduzieren.

Welche Pathfinding-Algorithmen gibt es?

Die Herausforderungen beim Pathfinding ergeben sich aus den Einschränkungen des spezifischen Problemraums. So müssen Hindernisse, die den direkten Weg versperren, mitbedacht werden, genauso wie etwaige Kosten für die Fortbewegung im Raum. Dabei können die Kosten multidimensional sein, z. B. wenn ein Weg zwar energetisch günstiger, dafür jedoch mit einer längeren Reisezeit belegt ist.

Ggf. müssen festgelegte Punkte in den Weg mitaufgenommen werden; dabei stellt ein Pathfinding-Algorithmus sicher, dass bei der Bewegung im Raum nicht im Kreis gelaufen wird. Generell muss ein optimaler Weg möglichst effizient gefunden werden, vor allem, wenn die Wegfindung in Echtzeit stattfinden soll.

Einige gängige Pathfinding-Algorithmen sind:

• Breadth-First Search (BFS): Dieser Algorithmus erkundet alle benachbarten Knoten des Startpunkts, bevor er zur nächsten Ebene von Knoten übergeht, bis das Ziel erreicht ist.
• Dijkstra-Algorithmus: Dieser Algorithmus erkundet den Graphen, indem er zuerst einen dem Startpunkt nächstgelegenen, unerforschten Knoten besucht und dann iterativ die Entfernung aller Knoten vom Startpunkt aktualisiert, bis das Ziel erreicht ist.
• A*-Suche: Dieser Algorithmus kombiniert die Ideen von BFS und Dijkstra-Algorithmus, indem er eine heuristische Funktion verwendet, um die Suche zum Zielknoten zu führen.
• Gierige Best-First-Suche: Dieser Algorithmus wählt den nächsten zu erkundenden Knoten aus, basierend auf einer heuristischen Schätzung der Entfernung zum Zielknoten.
• Bidirektionale Suche: Dieser Algorithmus sucht gleichzeitig vom Start- und Zielknoten aus zur Mitte des Graphen, um den kürzesten Weg zu finden.