融合注意力机制的CNN-LSTM模型在复杂生产环境中的产能预测研究
CSTR:
作者:
作者单位:

(1.张家口卷烟厂有限责任公司 信息中心,河北 张家口 075000;2.天津工业大学 计算机科学与技术学院,天津 300387;3.先进计算与关键软件海河实验室,天津 300051;4.河北工业大学 理学院,天津 300401)

作者简介:

张金珠 (1983-),女,博士,副教授,主要从事基于深度学习的大数据挖掘、人口智能等方面的研究。

通讯作者:

中图分类号:

TP391

基金项目:

国家自然科学基金(61802279),国家社科基金(22YJC870018)、天津市自然科学基金(19JCYBJC15800,19JCTPJC49200,9PTZWHZ00020)和先进计算与关键软件海河实验室项目(22HHXCJC00002) 资助项目


Research on cupacity prediction in complex production environments using a CNN-LSTM model integrated with an attention mechanism
Author:
Affiliation:

(1.Information Center, Zhangjiakou Cigarette Factory Co., Ltd., Zhangjiakou, Hebei 075000, China;2.School of Computer Science and Technology, Tiangong University, Tianjin 300387, China;3.Haihe Lab of ITAI, Tianjin 300051, China;4.School of Sciences, Hebei University of Technology, Tianjin 300401, China)

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    摘要:

    在复杂的多机台、多任务并行生产环境中,产能预测面临数据量大、时空特征非线性耦合等挑战。现有方法如卷积神经网络(convolution neural network,CNN) 、门控循环单元(gated recurrent units,GRU) 、长短时记忆网络(long short-term memory netwrok,LSTM) 和卷积神经网络-长短时记忆网络(CNN-LSTM)混合模型多侧重于单一特征的提取,未能充分挖掘时空特征的关联性,导致模型泛化能力弱、预测精度不足。为此,本文提出一种基于注意力的卷积神经网络-长短时记忆网络 (CNN-LSTM-Attention) 混合模型,对某工厂车间2018—2022年的真实生产数据进行实验研究。实验采用平均绝对误差(mean absolute error,MAE) 、均方根误差(root mean square error,RMSE) 、对称平均绝对百分比误差(symmetric mean absolute percentage error,sMAPE) 和精度等评估指标,结果表明,CNN-LSTM-Attention模型在短周期和长周期预测中均达到了0.9以上的精度,显著优于传统方法,验证了其在实际应用中的可行性与有效性。

    Abstract:

    In complex multi-machine,multi-task parallel production environments,capacity prediction faces significant challenges due to large-scale data and nonlinear spatiotemporal feature coupling.Existing methods,such as convolutional neural networks (CNN),gated recurrent units (GRU),long short-term memory networks (LSTM),and CNN-LSTM hybrid models,often focus on extracting isolated features,failing to fully exploit spatiotemporal correlations.This limitation leads to weak generalization and insufficient prediction accuracy.To address these issues,this study proposes an attention-based CNN-LSTM hybrid model (CNN-LSTM-Attention) and validates its performance using real-world production data from a factory workshop spanning 2018 to 2022.Experimental results evaluated with metrics including mean absolute error (MAE),root mean square error (RMSE),symmetric mean absolute percentage error (sMAPE),and accuracy demonstrate that the proposed model achieves over 0.9 accuracy in both short-and long-term predictions,significantly outperforming conventional methods.The findings verify the model′s feasibility and effectiveness in practical applications.

    参考文献
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    引证文献
引用本文

孔超,周政,王彩平,姚婷,宋庆增,张金珠.融合注意力机制的CNN-LSTM模型在复杂生产环境中的产能预测研究[J].光电子激光,2025,(12):1257~1264

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  • 收稿日期:2025-02-26
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  • 在线发布日期: 2025-11-20
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