第30章零售与电商AI应用

本章将深入探讨人工智能在零售与电商领域的革命性应用。我们将从智能推荐系统、动态定价、库存管理到创新的虚拟试衣间，全面解析AI如何重塑购物体验和商业运营效率，并为每个关键技术点提供代码实战，帮助你掌握将AI应用于真实商业场景的能力。

30.1 智能推荐系统

智能推荐系统是电商平台提升用户体验、增加销售额的核心武器。它通过分析用户的历史行为、偏好和商品属性，预测用户可能感兴趣的商品，并进行个性化推荐。

核心技术

协同过滤 (Collaborative Filtering): 基于“物以类聚，人以群分”的思想，分为基于用户的协同过滤（UBCF）和基于物品的协同过滤（IBCF）。
基于内容的推荐 (Content-Based Filtering): 根据商品本身的属性（如类别、品牌、标签）和用户的偏好进行推荐。
混合推荐 (Hybrid Recommendation): 结合多种推荐策略，取长补短，以达到更优的推荐效果。
深度学习推荐: 利用深度神经网络（如Wide & Deep, DeepFM）捕捉用户和物品之间复杂的非线性关系，是目前业界的主流方向。

实战项目：基于协同过滤的电影推荐

我们将使用经典的MovieLens数据集，实现一个简单的基于用户的协同过滤推荐系统。

import pandas as pd
from sklearn.metrics.pairwise import cosine_similarity# 1. 加载数据
# 数据集包含: userId, movieId, rating, timestamp
ratings = pd.read_csv('https://files.grouplens.org/datasets/movielens/ml-latest-small/ratings.csv')
movies = pd.read_csv('https://files.grouplens.org/datasets/movielens/ml-latest-small/movies.csv')# 2. 数据预处理：创建用户-物品评分矩阵
df = pd.merge(ratings, movies, on='movieId')
user_item_matrix = df.pivot_table(index='userId', columns='title', values='rating')# 填充NaN值为0，表示用户未评分
user_item_matrix_filled = user_item_matrix.fillna(0)# 3. 计算用户之间的相似度
# 使用余弦相似度
user_similarity = cosine_similarity(user_item_matrix_filled)
user_similarity_df = pd.DataFrame(user_similarity, index=user_item_matrix.index, columns=user_item_matrix.index)# 4. 生成推荐
def get_recommendations(user_id, num_recommendations=5):# 找到最相似的用户similar_users = user_similarity_df[user_id].sort_values(ascending=False)[1:] # 排除自己recommendations = {}# 遍历最相似的用户for other_user_id, similarity in similar_users.items():# 获取该用户评分过，但目标用户未评分的电影other_user_ratings = user_item_matrix.loc[other_user_id]target_user_ratings = user_item_matrix.loc[user_id]new_movies = other_user_ratings[other_user_ratings.notna() & target_user_ratings.isna()]# 计算推荐分数for movie, rating in new_movies.items():if movie not in recommendations:recommendations[movie] = 0recommendations[movie] += similarity * rating# 按推荐分数排序sorted_recommendations = sorted(recommendations.items(), key=lambda item: item[1], reverse=True)return [movie for movie, score in sorted_recommendations[:num_recommendations]]# 示例：为用户1推荐电影
user_id_to_recommend = 1
recommended_movies = get_recommendations(user_id_to_recommend)
print(f"为用户 {user_id_to_recommend} 推荐的电影: {recommended_movies}")# 示例输出 (可能因数据集版本而异):
# 为用户 1 推荐的电影: ['Forrest Gump (1994)', 'Pulp Fiction (1994)', 'Shawshank Redemption, The (1994)', 'Silence of the Lambs, The (1991)', 'Matrix, The (1999)']

30.2 动态定价策略

动态定价是指根据市场需求、竞争对手价格、用户行为、库存水平等多种因素实时调整商品价格的策略。AI模型可以分析这些复杂因素，找到最优的定价点，以实现利润最大化或市场份额最大化。

核心技术

强化学习 (Reinforcement Learning): 将定价看作一个智能体（Agent）与环境（市场）交互的过程。智能体通过不断尝试不同的价格（Action），观察市场反馈（Reward，如销售额、利润），学习最优的定价策略。
时间序列预测: 预测未来的市场需求，为定价提供依据。
博弈论: 分析与竞争对手的定价博弈，制定应对策略。

实战项目：基于强化学习的简单动态定价模拟

我们使用一个简化的环境来模拟动态定价过程，并使用Q-Learning算法来寻找最优价格。

import numpy as np# 1. 定义环境
# 假设有5个离散的价格水平
price_levels = [10, 12, 15, 18, 20]
num_actions = len(price_levels)# 需求函数：价格越高，需求越低 (简化模型)
def demand(price):return max(0, 100 - 4 * price + np.random.normal(0, 5))# 2. 初始化Q-Table
# 状态可以简化为无状态（或单一状态），因为环境简单
q_table = np.zeros(num_actions)# 3. Q-Learning参数
learning_rate = 0.1
gamma = 0.9 # 折扣因子
epsilon = 0.1 # 探索率
num_episodes = 1000# 4. 训练
for episode in range(num_episodes):# Epsilon-Greedy策略选择动作if np.random.uniform(0, 1) < epsilon:action = np.random.randint(0, num_actions) # 探索else:action = np.argmax(q_table) # 利用# 执行动作并获得奖励price = price_levels[action]sales_volume = demand(price)reward = price * sales_volume # 奖励=总收入# 更新Q值 (因为是无状态，所以next_state_q_value为0)old_q_value = q_table[action]new_q_value = (1 - learning_rate) * old_q_value + learning_rate * rewardq_table[action] = new_q_value# 5. 结果
optimal_action = np.argmax(q_table)
optimal_price = price_levels[optimal_action]print(f"训练完成后的Q-Table: {q_table}")
print(f"最优定价策略是设置价格为: ${optimal_price}")# 示例输出 (因随机性每次不同):
# 训练完成后的Q-Table: [ 883.1, 1001.5, 1045.2,  987.6,  899.3]
# 最优定价策略是设置价格为: $15

30.3 智能库存管理

智能库存管理利用AI预测未来的销售量，从而优化订货策略，旨在最小化库存成本（仓储、积压）和缺货损失（销售机会丢失）。

核心技术

时间序列预测: 使用ARIMA, Prophet, LSTM等模型预测未来一段时间内各SKU（库存单位）的销量。
运筹优化: 在预测销量的基础上，结合订货成本、运输时间、仓储成本等因素，计算出最佳的订货量和订货时间点（安全库存、再订货点）。

实战项目：使用LSTM进行销量预测

我们将使用一个模拟的销售数据集，构建一个LSTM模型来预测未来一周的销量。

import numpy as np
import pandas as pd
from sklearn.preprocessing import MinMaxScaler
from tensorflow.keras.models import Sequential
from tensorflow.keras.layers import LSTM, Dense# 1. 生成模拟销售数据
data = {'date': pd.to_datetime(pd.date_range(start='2022-01-01', periods=365)),'sales': np.random.randint(50, 200, size=365) + np.sin(np.arange(365) * 0.1) * 20}
df = pd.DataFrame(data).set_index('date')# 2. 数据预处理
scaler = MinMaxScaler(feature_range=(0, 1))
sales_scaled = scaler.fit_transform(df[['sales']])# 创建训练数据 (使用过去60天的数据预测未来1天)
def create_dataset(dataset, look_back=60):X, Y = [], []for i in range(len(dataset) - look_back - 1):a = dataset[i:(i + look_back), 0]X.append(a)Y.append(dataset[i + look_back, 0])return np.array(X), np.array(Y)look_back = 60
X, y = create_dataset(sales_scaled, look_back)
X = np.reshape(X, (X.shape[0], X.shape[1], 1))# 3. 构建和训练LSTM模型
model = Sequential()
model.add(LSTM(50, return_sequences=True, input_shape=(look_back, 1)))
model.add(LSTM(50))
model.add(Dense(1))
model.compile(optimizer='adam', loss='mean_squared_error')model.fit(X, y, epochs=20, batch_size=32, verbose=1)# 4. 进行预测
# 准备预测所需的数据 (最后60天的数据)
last_60_days = sales_scaled[-look_back:]
last_60_days_reshaped = np.reshape(last_60_days, (1, look_back, 1))# 预测未来7天
future_predictions = []
current_batch = last_60_days_reshapedfor i in range(7):next_prediction = model.predict(current_batch)[0]future_predictions.append(next_prediction)# 更新输入序列，将预测结果加入，并移除最旧的数据current_batch = np.append(current_batch[:, 1:, :], [[next_prediction]], axis=1)# 5. 反归一化并输出结果
future_predictions_unscaled = scaler.inverse_transform(future_predictions)
print("未来7天的预测销量:")
for i, sales in enumerate(future_predictions_unscaled):print(f"  第{i+1}天: {int(sales[0])}")# 示例输出 (因随机性和训练结果而异):
# 未来7天的预测销量:
#   第1天: 125
#   第2天: 128
#   ...

30.4 虚拟试衣间

虚拟试衣间（Virtual Try-On, VTO）是一项前沿技术，它允许用户在线上传自己的照片，然后通过AI技术将服装“穿”在用户的数字形象上，从而模拟真实的试衣效果。

核心技术

人体姿态估计 (Human Pose Estimation): 使用OpenPose等技术精确识别用户照片中的身体关键点（如肩膀、手腕、膝盖等）。
人体解析 (Human Parsing): 将人体图像分割成不同的部分（如头发、上衣、裤子、皮肤等）。
生成对抗网络 (GANs): 特别是像Conditional GANs (cGANs) 或专门为虚拟试衣设计的网络（如VITON, CP-VTON），它们能够根据人体姿态和服装图片，生成逼真的试穿效果图。模型需要学习如何使服装自然地变形、产生褶皱，并与用户的身形和姿态相匹配。

实战项目：概念性代码框架

实现一个完整的虚拟试衣间系统非常复杂，需要大量的专业数据集和强大的计算资源。以下是一个概念性的代码框架，展示了实现这一目标所需的主要步骤和可能用到的库。

# 注意：这是一个高级项目，以下代码仅为流程示意，无法直接运行
# 需要预训练模型和专门的数据集import cv2
import numpy as np
# 假设已有预训练的姿态估计和GAN模型
# from pose_estimator import estimate_pose
# from human_parser import parse_human
# from virtual_tryon_gan import VITON_GAN# 1. 加载模型 (伪代码)
# pose_model = estimate_pose.load_model()
# parse_model = parse_human.load_model()
# gan_model = VITON_GAN.load_model()# 2. 加载输入图像
person_image = cv2.imread('user_photo.jpg')
cloth_image = cv2.imread('t-shirt.jpg')# 3. 人体姿态估计和解析 (伪代码)
# pose_keypoints = pose_model.predict(person_image)
# segmentation_mask = parse_model.predict(person_image)# 4. 准备GAN的输入
# a. 服装图像预处理
#    - 可能需要去除背景，得到服装的mask
# b. 人体图像预处理
#    - 根据分割掩码，保留用户的头部、四肢等
#    - 创建一个目标服装区域的掩码
# c. 姿态关键点编码
#    - 将关键点转换为热图或其他表示形式# 5. 使用GAN生成试穿结果 (伪代码)
# gan_inputs = {
#     'cloth_image': preprocessed_cloth,
#     'person_representation': preprocessed_person,
#     'pose_map': encoded_pose
# }
# generated_tryon_image = gan_model.generate(gan_inputs)# 6. 后处理与融合
# 将生成的试穿服装部分与原始用户图像的背景、头部等进行平滑融合
# final_image = blend_images(person_image, generated_tryon_image)# 7. 显示结果
# cv2.imshow('Virtual Try-On Result', final_image)
# cv2.waitKey(0)
# cv2.destroyAllWindows()print("虚拟试衣间流程示意完成。实际实现需要深度学习专业知识和大量工程工作。")
print("可以探索开源项目如 'https://github.com/minar09/cp-vton-plus' 来深入学习。")