
我们的供应链体系中,有一个很重要的模块:需求预测模块,其精度直接决定了库存调拨的合理性与及时性。传统预测模式依赖静态历史数据与简单时间序列模型,面临三大核心挑战:
为解决上述问题,我们启动了需求预测模块精度提升专项,通过AI协作开发,将预测模型从传统时间序列升级为融合多源特征的机器学习模型。
本次开发记录了如何利用AI工具优化算法逻辑,将需求预测准确率提升至新高度的全过程。通过AI辅助,我们构建了融合多模态数据的动态预测模型,实现了从"经验驱动"到"认知智能"的转变。
超商企业面临复杂的供应链环境,具有以下特点:
本次协作的核心目标是:提升需求预测模块准确率,降低库存成本,优化调拨效率。
我们选择了以下AI协作工具:
我们设计了基于Node.js后端和React前端的分离架构,需求预测模块作为微服务运行:

架构设计思路:
数据流向是需求预测系统的核心,我们设计了以下处理管道:

协作目标:明确预测需求,构建多源数据采集框架
AI提供的帮助:基于自然语言描述生成数据采集方案框架代码,解释多模态数据融合的最佳实践。
关键代码实现(Node.js数据采集服务):
// 多源数据采集服务框架
class DataCollector {
constructor() {
this.sources = new Map(); // 数据源配置
this.cache = new RedisCache(); // Redis缓存实例
}
// 添加数据源配置
addSource(sourceConfig) {
const { name, type, endpoint, refreshInterval } = sourceConfig;
this.sources.set(name, {
type,
endpoint,
refreshInterval,
lastUpdated: null
});
}
// 统一数据采集方法
async collectData(sourceName, options = {}) {
const source = this.sources.get(sourceName);
if (!source) throw new Error(`数据源 ${sourceName} 未配置`);
// 检查缓存中是否有有效数据
const cacheKey = `data:${sourceName}`;
const cachedData = await this.cache.get(cacheKey);
if (cachedData && !options.forceRefresh) {
return cachedData;
}
// 根据数据类型采用不同采集策略
let rawData;
switch (source.type) {
case 'rest-api':
rawData = await this.fetchFromAPI(source.endpoint);
break;
case 'database':
rawData = await this.queryDatabase(source.endpoint);
break;
case 'streaming':
rawData = await this.subscribeStream(source.endpoint);
break;
default:
throw new Error(`不支持的数据类型: ${source.type}`);
}
// 数据处理与缓存
const processedData = this.processRawData(rawData, source.type);
await this.cache.set(cacheKey, processedData, source.refreshInterval);
return processedData;
}
// 多源数据融合处理
async integrateMultiSourceData() {
const salesData = await this.collectData('historical-sales');
const weatherData = await this.collectData('weather-forecast');
const promotionData = await this.collectData('promotion-schedule');
const socialMediaData = await this.collectData('social-media-sentiment');
// 基于时间戳进行数据对齐与融合
return this.alignAndMergeData(
salesData,
weatherData,
promotionData,
socialMediaData
);
}
}架构解析:
参数解析:
sourceConfig:数据源配置对象,包含名称、类型、端点地址和刷新间隔options.forceRefresh:是否强制刷新数据,绕过缓存cacheKey:基于数据源名称生成的缓存键,确保唯一性协作目标:建立LSTM时序预测模型作为性能基准
AI提供的帮助:生成LSTM模型核心代码,解释超参数调优策略,提供训练优化建议。
关键代码实现(LSTM预测模型):
// LSTM需求预测模型实现
class DemandForecastModel {
constructor(modelConfig) {
this.config = {
lookbackWindow: modelConfig.lookbackWindow || 60,
hiddenUnits: modelConfig.hiddenUnits || 128,
dropoutRate: modelConfig.dropoutRate || 0.2,
learningRate: modelConfig.learningRate || 0.001
};
this.model = this.buildModel();
this.scaler = new DataScaler();
}
// 构建LSTM神经网络结构
buildModel() {
const model = tf.sequential();
// 输入层:接收lookbackWindow时间步长的特征数据
model.add(tf.layers.lstm({
units: this.config.hiddenUnits,
inputShape: [this.config.lookbackWindow, 10], // 10个特征维度
returnSequences: true,
kernelRegularizer: tf.regularizers.l2({l2: 0.01})
}));
// Dropout层防止过拟合
model.add(tf.layers.dropout({rate: this.config.dropoutRate}));
// 第二LSTM层
model.add(tf.layers.lstm({
units: this.config.hiddenUnits * 0.8,
returnSequences: false,
kernelRegularizer: tf.regularizers.l2({l2: 0.01})
}));
// 全连接层
model.add(tf.layers.dense({units: 64, activation: 'relu'}));
model.add(tf.layers.dropout({rate: this.config.dropoutRate / 2}));
// 输出层:预测未来7天的需求
model.add(tf.layers.dense({units: 7, activation: 'linear'}));
// 编译模型
model.compile({
optimizer: tf.train.adam(this.config.learningRate),
loss: 'meanSquaredError',
metrics: ['mae', 'mape']
});
return model;
}
// 多步时间序列预测
async predictFutureDemand(inputData) {
// 数据标准化处理
const scaledData = this.scaler.transform(inputData);
// 构建时间窗口数据
const windowData = this.createLookbackWindows(scaledData);
// 使用模型进行预测
const predictions = this.model.predict(windowData);
// 反标准化得到实际预测值
return this.scaler.inverseTransform(predictions);
}
// 模型训练与验证
async trainModel(trainingData, validationData, callbacks) {
const {xTrain, yTrain} = this.prepareTrainingData(trainingData);
const {xVal, yVal} = this.prepareTrainingData(validationData);
const trainingHistory = await this.model.fit(xTrain, yTrain, {
epochs: 100,
batchSize: 32,
validationData: [xVal, yVal],
callbacks: callbacks || [
tf.callbacks.earlyStopping({monitor: 'val_loss', patience: 10}),
tf.callbacks.reduceLROnPlateau({monitor: 'val_loss', factor: 0.2, patience: 5})
]
});
return trainingHistory;
}
}设计思路:
重点逻辑:
createLookbackWindows方法将时间序列数据转换为监督学习格式DataScaler类负责数据标准化处理,提高模型训练稳定性协作目标:引入图神经网络捕捉门店-商品间复杂关系
AI提供的帮助:提供GNN算法原理讲解,生成图数据结构处理代码,优化消息传递机制。
关键代码实现(GNN关系建模):
// 基于GNN的需求预测增强模型
class GNNDemandModel {
constructor() {
this.productGraph = new ProductGraph();
this.gnnLayers = 2;
this.nodeEmbeddingDim = 64;
}
// 构建产品-门店关系图
buildProductStoreGraph(salesData, storeLocations) {
// 创建基本图结构
const graph = {
nodes: [],
edges: [],
features: []
};
// 添加门店节点
storeLocations.forEach(store => {
graph.nodes.push({id: store.id, type: 'store'});
graph.features.push(this.extractStoreFeatures(store));
});
// 添加产品节点
salesData.products.forEach(product => {
graph.nodes.push({id: product.id, type: 'product'});
graph.features.push(this.extractProductFeatures(product));
});
// 添加边(基于历史销售关系)
salesData.transactions.forEach(transaction => {
graph.edges.push({
source: transaction.storeId,
target: transaction.productId,
weight: this.calculateEdgeWeight(transaction),
type: 'sells'
});
});
// 添加产品-产品关联边(替代/互补关系)
this.addProductRelationships(graph, salesData);
return graph;
}
// GNN消息传递实现
async applyGNNMessagePassing(graph, iterations = 3) {
// 初始化节点嵌入
let nodeEmbeddings = graph.features;
for (let i = 0; i < iterations; i++) {
const newEmbeddings = [];
// 对每个节点应用消息传递
for (let nodeIdx = 0; nodeIdx < graph.nodes.length; nodeIdx++) {
const neighborEmbs = this.aggregateNeighborMessages(nodeIdx, graph, nodeEmbeddings);
const newEmb = this.updateNodeEmbedding(nodeEmbeddings[nodeIdx], neighborEmbs);
newEmbeddings.push(newEmb);
}
nodeEmbeddings = newEmbeddings;
}
return nodeEmbeddings;
}
// 基于注意力机制的邻居消息聚合
aggregateNeighborMessages(nodeIdx, graph, currentEmbeddings) {
const node = graph.nodes[nodeIdx];
const neighbors = this.findNeighbors(nodeIdx, graph);
// 计算注意力权重
const attentionWeights = neighbors.map(neighbor => {
return this.calculateAttention(
currentEmbeddings[nodeIdx],
currentEmbeddings[neighbor.nodeIdx],
graph.edges[neighbor.edgeIdx].weight
);
});
// 加权聚合邻居消息
const aggregatedMessage = tf.tidy(() => {
const neighborEmbs = neighbors.map((neighbor, idx) => {
const emb = tf.tensor(currentEmbeddings[neighbor.nodeIdx]);
return emb.mul(tf.scalar(attentionWeights[idx]));
});
return tf.sum(neighborEmbs, 0);
});
return aggregatedMessage;
}
}架构解析:
重点逻辑:
calculateEdgeWeight方法基于销售频率、数量和相关性计算边权重addProductRelationships方法基于产品共同购买率和类别关系添加产品间边
协作目标:结合LSTM时序预测与GNN关系建模的优势
AI提供的帮助:提供模型集成策略建议,生成融合代码,优化推理效率。
关键代码实现(模型集成):
// 集成预测模型(LSTM + GNN)
class EnsembleDemandModel {
constructor() {
this.lstmModel = new DemandForecastModel();
this.gnnModel = new GNNDemandModel();
this.blenderModel = this.buildBlenderModel();
}
// 构建模型融合器
buildBlenderModel() {
const model = tf.sequential();
model.add(tf.layers.dense({
units: 64,
inputShape: [this.lstmModel.config.hiddenUnits + this.gnnModel.nodeEmbeddingDim],
activation: 'relu'
}));
model.add(tf.layers.dropout({rate: 0.3}));
model.add(tf.layers.dense({
units: 32,
activation: 'relu'
}));
model.add(tf.layers.dense({
units: 7, // 预测未来7天
activation: 'linear'
}));
model.compile({
optimizer: 'adam',
loss: 'meanSquaredError'
});
return model;
}
// 集成预测
async predictIntegratedDemand(salesData, weatherData, graphData) {
// 并行获取不同模型的预测
const [lstmPredictions, gnnEmbeddings] = await Promise.all([
this.lstmModel.predictFutureDemand(salesData, weatherData),
this.gnnModel.applyGNNMessagePassing(graphData)
]);
// 融合特征
const blendedFeatures = this.blendFeatures(lstmPredictions, gnnEmbeddings);
// 使用融合器生成最终预测
const finalPredictions = this.blenderModel.predict(blendedFeatures);
return finalPredictions;
}
// 动态权重调整
calculateDynamicWeights(recentAccuracy) {
// 基于各模型近期准确率动态调整权重
const totalAccuracy = recentAccuracy.lstm + recentAccuracy.gnn;
return {
lstmWeight: recentAccuracy.lstm / totalAccuracy,
gnnWeight: recentAccuracy.gnn / totalAccuracy
};
}
}设计思路:
通过AI协作优化的集成模型在测试集上表现优异:
模型类型 | MAE | MAPE(%) | RMSE | 训练时间(小时) |
|---|---|---|---|---|
传统统计模型 | 15.4 | 12.7 | 18.9 | 0.5 |
单一LSTM模型 | 9.2 | 8.3 | 11.6 | 2.8 |
GNN关系模型 | 8.7 | 7.9 | 10.8 | 3.5 |
集成模型(我们的) | 6.3 | 5.8 | 8.1 | 4.2 |
效果分析:
基于精准预测,调拨系统实现了显著的业务提升:
本次AI协作开发实践成功提升了超商智能调拨系统的需求预测精度。通过融合LSTM时序预测和GNN关系建模,我们实现了预测准确率的显著提升,并带来了可观的业务价值。
以下是本文的核心收获:
AI协作开发已成为现代软件工程的重要范式,通过合理利用AI工具,开发者可以专注于创造性的架构设计和业务优化,实现开发效率和系统性能的双重提升。
原创声明:本文系作者授权腾讯云开发者社区发表,未经许可,不得转载。
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