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Chair of Materials and Surface Engineering
Human-Cyber-Physical Systems
Chair of Materials and Surface Engineering 

Departement Human-Cyber-Physical Systems (HCPS)

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Welcome in the department human-cyber-physical systems (HCPS)!

The sustainable industry of the future will be realized through the successful integration of humans, digital cyber systems, and physical-technical systems. Crucial to this is the consistent human focused design of technical systems - a human-centric industry leading to human-cyber-physical systems.

he focus of the analysis is the human being - in relation with their expert knowledge and cognitive abilities - in their various roles within industrial processes.

Drawing on transdisciplinary expertise at the intersection of psychology, computer science, and mechanical engineering, the HCPS department addresses both fundamental and application-oriented research questions aimed at the human-centered design of HCPS.

Our research examines theoretical and methodological insights that can be applied in various technical fields of application.

Research priorities are:

cognitive system engineering

To ensure that digitalization is aligned with people and benefits them, a holistic, structured approach is required. The upper part of the figure illustrates the simplified, human-centric "Human-CoMo" digitalization cycle, which can be used, for example, to develop decision-support systems. The various roles played by humans involve distinct areas of expertise and tasks that need to be integrated.

The lower part of the figure shows an excerpt from a hierarchical cognitive map representation of expert knowledge — using a galvanic coating process as an example — as a partial result of a knowledge elicitation process. To the right is a corresponding data driven AI model built upon this knowledge model. The underlying data was compiled in collaboration with the B+T Group.

The HCPS department has expertise in the areas of “cognitive systems engineering” and “AI modeling”. They form the basis for making empirical knowledge usable for various digitalization solutions (for example implementation of implicit knowledge in chatbots). Further on the development of AI-based decision support systems and research on “human-machine teaming”.

own references:

decision support

Using a mock-up example of multi-criteria parameter optimization in electroplating processes, the video demonstrates how human-centered digitalization in production can be successfully achieved through assistance solutions.

It addresses requirements that arise when deciding between input parameter sets or alternative electrolytes or manufacturing processes, using galvanic zinc-nickel coating as an example.

The focus is on the target criteria of "coating thickness," "nickel content," "corrosion protection," and "surface roughness"—examples of key coating characteristics that often conflict with one another during practice. The assistance system enables the optimization of each of these criteria — either individually or on a multi-criteria basis — thereby allowing for the realization of various target profiles.

Based on existing data from coating experiments conducted in collaboration with the B+T Group, the AI ​​analyzes which combinations of process parameters align with the selected objectives. Subsequently, specific recommendations for parameter settings are derived and presented transparently to the human decision-maker. It is possible to quantify the impact of variations in input parameters on individual target variables, thereby identifying cause-and-effect relationships.

own references:

human-machine-teaming

The forms of collaboration between humans and machines are undergoing constant and rapid change. Alongside assistance and automation solutions, human-machine teaming is emerging as a new, highly innovative approach within research and development. Teaming capable systems aim to enable humans and the cyber team partners embedded within technical systems to collaborate much like a well functioning team of colleagues. This requires a stable partnership between high-performance technology and skilled humans—a collaboration that will unlock entirely new possibilities regarding performance capabilities and sustainable work practices.

For a system to be capable of teaming, it must meet among others the following criteria:

  • complementarity: Humans and cyber team partners contribute complementary functions to the work process to accomplish tasks. Enhanced performance arises from combining their respective strengths.
  • shared knowledge and common Goals Both sides must understand the context of the collaboration and work towards shared goals. In addition to their respective domains of knowledge, there is a shared knowledge base grounded in human expertise and its cognitive structures. Its implementation within the cyber team partner is transparent and both comprehensible and traceable for the human.
  • constrained autonomy As in a human team, the partners are interconnected and bound to one another. Each partner has scope for action commensurate with their tasks and strengths— ,overall the autonomy of the team partners is limited. The cyber team partner can be overridden by the human, ensuring that decision-making authority always rests with the human team partner.
  • trust in Automation Justified human trust in the cyber team partner emerges from the successful realization of the criteria "complementarity," "shared knowledge/goals," and "bound autonomy" within actual interaction experiences in production-related use cases.

own references:

human centered modeling and artificial intelligence

https://www.mec.ed.tum.de/utg/dfg-schwerpunktprogramm-2476/teilprojekte/projekt-4/

Complex manufacturing processes or process chains can be partially modeled or simulated using data-driven AI methods. The resulting models should be transparent and easily understandable to humans. In this way, model results can, for example, provide targeted support for the industrial manufacturing of components and products with defined property profiles. Model-based description is essential for addressing challenges such as the optimization of individual manufacturing processes or global optimization across the entire process chain, as well as for managing inherent process uncertainties and heterogeneous data.

The figure illustrates a specific example of a process chain comprising (1) thermal spraying, (2) turning, and (3) diamond burnishing, designed to produce a functional surface with a graded increase in hardness near the surface. Thermal spraying (primary shaping) is used to apply manganese hard steel surfaces to rotationally symmetric components, while turning and diamond burnishing are employed to adjust core and surface properties. In this example, the target parameters of the process chain are to be influenced as follows: (1) maximize surface hardness, (2) minimize surface roughness, (3) maximize the oxide content of the coating system, and (4) maximize the energy efficiency of the surface generation process.

Integrated sensor systems capture manufacturing process data, which is then used for modeling. The methodological approaches employed include statistical modeling and multidimensional, pattern-based description using grey-box AI algorithms (fuzzy pattern classification). These methods enable the quantification of various types of uncertainty as well as the forward and backward coupling of the process chain.

Model based decision proposals assist in research and development by addressing even highly complex issues that go beyond knowledge based or heuristic decision making, while remaining closely aligned with the human perspective.

cognitive ergonomics

https://www.tu-chemnitz.de/mb/WOT/abteilungen/hcps/forschung/projekte/komti/demonstrator/

The design of complex human-AI-technology systems must be guided by human-centered criteria to ensure that the human operator can perform their tasks optimally without being subjected to undue strain. Incorporating insights and methods from cognitive psychology can foster new qualities of interaction between humans and (semi-)autonomous technical or digital systems, while also increasing the acceptance of the technology.

The research project KoMTI "Kognitionsbasierte Mensch-Technik-Interaktion" investigated a holistic approach to the human-centered design of technology, guided by the principle of helpful technology that supports human self-determination rather than controlling or restricting it. The project resulted in a modular methodological toolkit and a procedural strategy for developing and implementing human-oriented interaction interfaces within complex human-technology systems.

Technologies and human-centered measures—such as those promoting sustainable, resource-efficient practices in day-to-day production—are successful only if people understand, accept, and implement them. To this end, the HCPS department employs and adapts a variety of methods. These include observation and survey techniques, interviews, psychological experiments, and user studies, as well as cognitive task analyses, procedures for assessing (team) situation awareness and mental workload, and eye-tracking-based measurements of eye movements and pupil dilation./p>

The goal of the research project REDUCE was to reduce energy consumption in industrial production. To this end, a transdisciplinary approach combined technical possibilities with a human-centered perspective to develop a human-machine interaction (HMI) demonstrator that visualizes energy consumption and provides actionable recommendations for the user. This demonstrator was subsequently evaluated under real-world operating conditions in terms of efficiency, user experience, acceptance, and individual preferences.

own references:

We work closely with partners from universities, non-university research institutions, and industry to translate research findings into industrial practice and actively shape knowledge transfer.

Innovation Award 2025

Do you have any further questions, or can we assist you with your tasks? Please feel free to contact us using the phone number or email address below.

We are looking forward to working together!

2025

Abteilung(en): Thermisches Beschichten, Human-Cyber-Physical Systems
Fördermittelgeber: DFG
Förderkennzeichen: 558601614
Laufzeit: 2025 - 2028
Projektlogo
Projektlogo
Projektpartner:
  • Professur Mikrofertigungstechnik (TU Chemnitz)
Motivation & Zielstellung
Die industrielle Fertigung von Komponenten erfolgt durch sequenzielle Verbindung von Fertigungsprozessen, um Produkte mit definiertem Eigenschaftsprofil zu erzeugen. Es bestehen die Herausforderungen, die Fertigungsprozess zu optimieren, prozessimmanenten Unsicherheiten zu begegnen und eine globale Optimierung über die Prozesskette hinweg vorzunehmen. Die mehrkriterielle Optimierung ist anspruchsvoll, da einander widersprechende Zielgrößen bzgl. Verarbeitungs- und Funktionseigenschaften bestehen.

Mittels eines experimentellen Vorgehens und datenbasierter Modellbildung soll die Prozesskettenoptimierung in ProModFun vorgenommen werden. Zunächst erfolgt der Aufbau der Prozesskette aus (1) Thermischem Beschichten, (2) Drehen und (3) Diamantglätten zur Herstellung einer Funktionsoberfläche mit oberflächennaher, gradierter Härtesteigerung. Das innovative Eigenschaftsprofil soll am Beispiel der Komponente „Führungsrolle“ ausgeführt werden. Durch thermisches Beschichten (primäre Formgebung) werden auf rotationssymmetrischen Komponenten Oberflächen aus Manganhartstahl aufgebracht und durch Drehen und Diamantglätten hinsichtlich Kern- und Randeigenschaften angepasst. Die zu optimierenden Zielgrößen der Prozesskette sollen wie folgt beeinflusst werden: (1) Oberflächenhärte maximieren, (2) Oberflächenrauheit minimieren, (3) Oxidgehalt des Schichtsystems maximieren und (4) die Energieeffizienz der Oberflächenerzeugung maximieren.

Sensorik wird in die Fertigungsprozesse integriert und die Messdaten zur Modellbildung genutzt. Als Verfahrensansätze dienen die statistische Modellierung und die mehrdimensionale, musterbasierte Beschreibung mittels grey-box KI-Algorithmen (Fuzzy Pattern Classification). Sie ermöglichen die Quantifizierung verschiedener Unsicherheitsarten und die vorwärts gerichtete Kopplung der Prozesskette. Danach erfolgt die Erarbeitung eines Vorgehens zur inversen mehrkriteriellen Optimierung über die gesamte Prozesskette zum Zwecke der globalen Optimierung.
Ansprechpartner
Franziska Bocklisch
Dr. rer. nat. habil. (Dipl.-Psych.)
Franziska Bocklisch
Abteilung: Human-Cyber-Physical Systems
Funktion: Abteilungsleiterin
Telefon: +49 (0)371 531 – 36530
Raum: E06.116

Thomas Lampke
Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil.
Thomas Lampke
Funktion: Inhaber der Professur
Telefon: +49 (0)371 531 – 36163
Raum: E02.112

2023

Abteilung(en): Human-Cyber-Physical Systems
Fördermittelgeber: BMBF
Förderkennzeichen: 02DWG1694B
Laufzeit: 2023 - 2025
Projektlogo
Projektpartner:
  • Vitesco Technologies GmbH (aktuell: Schaeffler AG)
  • GTV – Gesellschaft für Technische Visualistik mbH
Motivation & Zielstellung
Das Vorhaben REDUCE hat die signifikante Senkung des Ressourcenverbrauchs der industriellen Produktion zum Ziel. Damit adressiert es den maßgeblichen Anteil dieses Sektors am nationalen Verbrauch von Ressourcen wie Energie (aktuell ca. 70 %) und trägt zu den (inter)nationalen Bestrebungen hin zu einer ressourceneffizienten Gestaltung der Industrie bei, welche vor dem Hintergrund der aktuellen Klimakrise dringend notwendig ist. Erreicht wird dieses Ziel durch einen transdisziplinären Lösungsansatz, der technikbezogene Digitalisierung und effiziente Automatisierungslösungen mit einer konsequent menschzentrierten Technikgestaltung verbindet, welche Anwendende zu ressourceneffizientem Handeln in der Produktion befähigt. Diesem Ansatz folgend sieht der Arbeitsplan zwei komplementäre Analyseansätze vor, welche in konkreten Gestaltungslösungen zusammengeführt werden. So wird einerseits mittels moderner Sensor- und Messtechnik eine umfangreiche Datenbank aller für den Ressourcenverbrauch relevanten technischen Parameter auf verschiedenen Ebenen der Produktion erstellt, auf deren Basis konkrete Einsparungspotenziale identifiziert werden. Andererseits werden in einer umfassenden Prozessanalyse Arbeits- und Prozessabläufe menschlicher Akteure systematisch beschrieben, woraus Handlungsoptionen zur Verbrauchssenkung abgeleitet werden. In systemischer Betrachtung beider Analysen werden Maßnahmen zur Reduktion des Ressourcenverbrauchs entwickelt und in Form eines Demonstrators umgesetzt. Das Vorhaben schafft belastbare Erkenntnisse über Ressourceneinsparungspotenziale im produzierenden Gewerbe durch menschzentrierte Energiemanagment- und Informationssysteme. Die Ergebnisse haben hohes Transferpotenzial und können neben der wissenschaftlichen Verbreitung auch in kommerziellen Anwendungen industrienah verwertet werden. Ermöglicht wird der transdisziplinäre Ansatz des Vorhabens durch ein Konsortium mit Partnern aus Technik und Produktion, Visualistik und Psychologie.
Ansprechpartner
Franziska Bocklisch
Dr. rer. nat. habil. (Dipl.-Psych.)
Franziska Bocklisch
Abteilung: Human-Cyber-Physical Systems
Funktion: Abteilungsleiterin
Telefon: +49 (0)371 531 – 36530
Raum: E06.116

2019

Abteilung(en): Human-Cyber-Physical Systems
Fördermittelgeber: BMBF
Förderkennzeichen: 16SV8297
Laufzeit: 2019 - 2023
Projektlogo
Projektpartner:
  • Professur Künstliche Intelligenz (TU Chemnitz)
  • Assoziierte Partner: Fraunhofer IWU Chemnitz
  • secuvera GmbH
  • Aumann AG
  • CBS Information Technologies AG
  • SITEC Industrietechnologie GmbH
  • IAOV GmbH
  • Saxeed
  • Vitesco Technologies GmbH
Motivation & Zielstellung
Ziel des Vorhabens ist die Erarbeitung eines technikorientierten Dienstleistungs- und Softwareangebots zur Entwicklung und Realisierung kognitionsbasierter Schnittstellen für die Mensch-Technik-Interaktion (KoMTI). Durch KoMTI werden kognitionspsychologische Erkenntnisse (u.a. zu Verstehens- und Entscheidungsprozessen) mit möglichst transparenten und leistungsfähigen Algorithmen des Maschinellen Lernens abgebildet, um eine neue Interaktionsqualität zwischen Mensch und (teil)autonomen technischen/digitalen Systemen zu ermöglichen. Das Vorhaben folgt der Leitidee einer hilfsbereiten Technik, die menschliche Selbstbestimmtheit unterstützt und nicht kontrolliert bzw. einschränkt. KoMTI richtet sich an Produktentwickler aus den Applikationsbereichen "Intelligente Mobilität" und "Digitale Gesellschaft". Es adressiert neue Fragestellungen, beispielsweise die nutzerzentrierte Gestaltung automatisierter Fahrfunktionen (u.a. bzgl. des Fahrkomforts) oder die Optimierung des individuellen Umgangs mit digitalen Produkten wie Apps (z.B. hinsichtlich Interaktionsfehlern, Daten- und Privatsphärensicherheit). Ergebnis des Projektes ist ein modularer KoMTI Methodenbaukasten sowie eine Vorgehensstrategie zur Entwicklung und Realisierung menschengemäßer Interaktionsschnittstellen in komplexen Mensch-Technik-Systemen.
Ansprechpartner
Franziska Bocklisch
Dr. rer. nat. habil. (Dipl.-Psych.)
Franziska Bocklisch
Abteilung: Human-Cyber-Physical Systems
Funktion: Abteilungsleiterin
Telefon: +49 (0)371 531 – 36530
Raum: E06.116

Below you will find our publications.

We would be glad to advise and support you with our expertise in tackling your challenges.
Please feel free to contact us!

Intelligent Decision Support in Thermal Spraying Through AI Modeling of Small and Smart Data: A Case Study on HVAF- and HVOF-Sprayed WC-CoCr Coatings (Bocklisch, Franziska*; Lanz, Oliver; Torkashvand, Kaveh; Bocklisch, Steffen; Lampke, Thomas; Joshi, Shrikant)

Entwicklung einer kognitionsbasierten Schnittstelle für die Mensch-Technik-Interaktion zur Förderung des energieeffizienten Handelns im Produktionskontext (Morgenstern, Tina; Reuter, Christin; Gleich, S.; Lapczyna, E.; Thiele, V.; Lampke, Thomas; Bocklisch, Franziska)

Integrating expertise into automation - Formalising expert knowledge for a human-centred design of industry 5.0 applications (Kreißig, Isabel; Hartwich, Franziska; Todtermuschke, Marcel; Bocklisch, Franziska)

Discomfort detection during automated driving using temporal transformers (Assarzadeh, Maha*; Hartwich, Franziska; Vitay, Julien; Bocklisch, Franziska; Hamker, Fred H.)

Interpretable Passenger Discomfort Prediction in Automated Driving Using Transformers (Assarzadeh, Maha; Hartwich, Franziska; Vitay, Julien; Bocklisch, Franziska; Hamker, Fred)

Integrating Human Cognition in cyber-physical systems: A multidimensional fuzzy pattern model with application to thermal spraying (Bocklisch, Franziska*; Paczkowski, Gerd; Zimmermann, Stephan; Lampke, Thomas)

Is There a privacy Paradox in Digital Social Media Use? The Role of Privacy Concerns and Social Norms (Halama, Josephine*; Frenzel, Tina; Hofmann, Laura; Klose, Constanze; Seifert, Nathalie; Telega, Kathrin; Bocklisch, Franziska)

Knowledge matters! - Exploring Drivers and Barriers in the Acceptance of FCEVs as a Sustainable Mobility Solution (Kreißig, Isabel*; Bocklisch, Franziska*)


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Franziska Bocklisch
Dr. rer. nat. habil. (Dipl.-Psych.)
Franziska Bocklisch
Department: Human-Cyber-Physical Systems
Function: Head of Department
Phone: +49 (0)371 531 – 36530
Room: E06.116 (alt: 3/E116)

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