球面有两个交点，一个是北极（应该称为北天极），一个是南极（南天极）。
在球的表面上遍列有28宿（我国古代天文学家引入的区分和描述天球上为数
众多的恒星的一种表示方法。意思是日、月的住处。月亮在恒星间移行一周
需要27天半左右，古代天文学家把日、月、五星运动所经过的天区的可见恒
星分成28组，起名叫：角、亢、氐、房、心、尾、箕、斗、牛、女、虚、危、
室、壁、奎、娄、胃、昴、毕、觜、参、井、鬼、柳、星、张、翼、轸）和
其他恒星。球面上还有赤道圈 （平面和天轴垂直。由于天轴和地球的自转轴
一致，所以天球赤道圈平面和地球赤道平面是重合的）和黄道圈（古人认为
太阳绕地旋转，黄道是太阳在天球上视运行的轨道，实际上就是地球绕太阳
公转轨道平面和天球相交的大圆），二者成24度夹角，分列有24节气，从
冬至点起 （古代以冬至作为一年的开始），把圆周分做
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365 度，每度又细分成4个小格。球体外面有两个圆环，一个是地平圈，
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一个是子午圈（通过南北极和天顶的圆环）。天轴支架在子午圈上，和地平
斜交成36度，就是说北极高出地平36度，这是洛阳地区的北极仰角，也是
洛阳地区的地理纬度。天球半露在地平以上，半隐在地平之下。
为了使浑象能够自行运动，张衡采用齿轮系把浑象和计时用的漏壶联系
起来，利用漏壶流水的力量发动齿轮，带动浑象运转。通过恰当地选择齿轮
的个数和齿数，巧妙地使浑象一昼夜转动一周，把天象变化形象地演示了出
来。
张衡还创制一种机械日历，叫做“瑞轮 荚”。这个仪器也是用漏水转
动的，和浑象联动。它从每月初一起，每天转出一片木叶，到 15日共转出
15片。然后每天再转入一片，依次减少，到月底落完。因为阴历是和月亮的
运行配合的，所以瑞轮 荚可以表示出日期，又能告诉人们月亮的圆缺变
化。
张衡的水运浑象是有明确记载的世界上第一架用水力发动的天文仪器，
其中应用的齿轮系和凸轮机构在当时可以说是相当复杂的。水运浑象实质上
还可以认为是一个天文钟，通过它的等速旋转，可以报告时刻。
唐代的一行 （俗名张遂，683—727）同机械专家梁令瓒合作，改进和发
展了张衡的水运浑天仪。
一行和梁令瓒制造的水运浑天仪（浑象）也是用水力驱动的能模仿天体
运行的仪器。不仅在球形的浑象上遍列各星宿和黄、赤道等，而且还在浑象
外安装两个圆环，上边各装一个球标，分别代表日、月。利用水力推动齿轮
系，使浑象每昼夜自转一周。日标除每昼夜回转一周外，沿黄道还日行一度，
365天沿黄道移动一周；29天多，日、月相合一次。这种水运浑天仪很有规
律地演示出日、月、星象的运转，比张衡的水运浑象更加精巧、复杂。
另外，一行和梁令瓒的水运浑天仪上还设有两个木人，用齿轮带动，一
个每刻 （古代把一昼夜分做一百刻）自动击鼓，一个每辰 （合现在两小时）
自动撞钟。可以说它是现代钟表的祖先，比公元1370年西方出现的威克钟要
早6个世纪。
北宋时代对天文仪器的制造非常重视。宋太宗太平兴国年间（976—984）
的张思训也改进和发展了张衡的水运浑天仪。此外，宋政府至少还造了4架
观测用的铜浑仪。
公元995年制造的一台，置于测验浑仪刻漏所。
公元1010年制造的一台，置于宫内龙图阁。
公元1052年制造的一台，置于翰林天文院。
公元1074年制造的一台，置于太史局。
1081年，有人向宋神宗提出，应当有人来鉴定这4台铜浑仪，看哪一台
最为准确。宋神宗为此专门任命一位天文学家欧阳发为详定浑仪官。欧阳发
详定的结果是，这几架仪器都不行，应该重造。宋神宗又下诏命欧阳发再铸
一套浑仪、刻漏和晷表（测日影的仪器）。但不知道这套浑仪是否开铸和铸
成。
1086年，哲宗登位后，由太皇太后高氏听政，又提出了详定浑仪的事。
这次的任务交给了苏颂。苏颂召集了政府内的许多天文学家，查阅了各种文
书档案，再到各天文机构进行了实地调查。这次鉴定的结果是：公元995年、
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1052年所造的两架浑仪，都很实用，否定了公元1074年所造的仪器，认为
这台浑天仪“环、器怯薄、水跌低垫，难以行使。”没有对公元1010年制造
的那台进行鉴定。
苏颂趁汇报鉴定结果的便利机会，提出了他的新建议。他说，从汉代张
衡以来直到本朝太平兴国年间的张思训都造过一种水运浑天仪。把这类演示
用的仪器和观测用的铜浑仪配合起来，才能使天文仪器的妙用得到最大的发
挥。
因此，他提出了建造一架把铜浑仪和水运浑天仪结合在一起的仪器——
水运仪象台。
1087年8月，朝廷批准了制造水运仪象台的建议，并且命令苏颂组织一
个专门的机构——水运浑仪所，来从事仪器的制造。
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五、苏颂的水运仪象台和假天仪
苏颂以前在吏部任职的时候，认识了吏部的一位守当官 （部里的中下级
吏员），名叫韩公廉。韩公廉这个人善于数学运算，又懂得天文学。苏颂就
把从东汉张衡以来，一直到本朝张思训的水运浑天仪设计思想告诉了韩公
廉。韩公廉听了苏颂的想法后，表示，运用数学知识是可以重新设计制造水
运浑天仪的。过了一段时间，韩公廉就交给苏颂一卷《九章勾股测验浑天书》
和一座木样机轮。自从朝廷批准了苏颂制造水运仪象台的报告后，苏颂就组
织了一支包括行政和科研人员在内的、大约10余人的攻关队伍，其中韩公廉
的角色就类似于现代所谓的工程师。
1088年5月，苏颂造成了全部仪器的小木样。经过检验之后，在当年的
12月份又造成了大木样。大木样造成以后，朝廷命令把大木样放置在宫内的
集英殿。同时又命令翰林学士许将前来鉴定。许将率领着水运浑仪所里的天
文工作者周日严、苗景等人，日日夜夜地检测了3个多月，认为这台水运仪
象台与实际天象是相合的。于是朝廷命令用铜来制造正式的仪器。
我国古代的封建王朝受阴阳五行 （金、木、水、火、土）的影响，每个
朝代都认为自己这个朝代都是得到了五行中的某一行，才得以建立起来的，
这叫做“×德”，譬如宋朝就自认为是得到了火德，而“水”运浑仪的名称
是不吉利的，所以，宋哲宗就把水浑仪改名为元宽祐（宋哲宗的年号）浑天
仪象。
1092年6月，铜制的仪器铸成了，宋哲宗命令将此仪立在元祐浑天仪象
所。因为这台仪器是一座3丈多的高台，台上又合有浑仪与浑象两种仪器，
所以又称为合台。仪象铸成之前的两个月，宋哲宗就曾下诏给苏颂，命他撰
写一篇《浑天仪象铭》；于是苏颂又把这台仪器画成了图形，写成书献给了
宋哲宗，这本书就是著名的《新仪象法要》。仪成后两天，宋哲宗又下诏给
三省（门下省、中书省、尚书省）、枢密院（最高军务机构），要他们“阅
之”。
这台仪器的水运机构类似于现在机械钟表中所谓锚状擒纵器的部件，所
以，以苏颂为代表的中国水运仪象是世界机械钟表的祖先。
我国现代的科技史专家王振铎在通过全面的研究后，对这台仪器进行了
完整的复原，比例是原来的 1/5。王振铎还恢复了苏颂原来给这台仪器所定
的名称——水运仪象台。复原后的模型现在在北京中国历史博物馆里陈列。
这台仪器总的高度是11.88米，宽7米，全台是一座正方台，锥形，上
狭下阔的木构建筑，上下分成三个层面。
顶上层放置观测用的浑仪，它的结构和一般浑仪大体相同。在十字形底
座上立起4根龙柱，上面托着一层固定不动的六合仪，包括地平环、赤道环
和子午双环，它们是固定结在一起的。里面套着一层可以转动的三辰仪，包
括赤径双环、赤道环和黄道双环，赤经双环用旋转轴套在外面子午双环相当
于南北极的地方。最里面是一对四游双环夹持着一根望筒。四游双环也用旋
转轴套在南北极里，望筒则可以在四游双环内绕中心转动。转动四游双环，
可以使双环中央大圆对向天空任意一条赤经圈，转动双筒，可使它对向这条
赤经圈上的任何一点。从四游双环上可读出望筒所指向的天体的去极度，从
三辰环中的赤道环上可以读出中游环所朝向的、也就是望筒所对天体的赤道
度数。这种浑仪所独创的是：在三辰仪的南端装了一个和赤道平行的较小的
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圆环，叫做天运环。环上有齿，一条天柱把它和动力机构相连起来。通过这
套系统使三辰仪可以自动运转，以便使黄道环等装置和天上的黄道位置相适
应。因为实际的天球和黄道等都在作周日转动。在过去时，没有这样一套系
统，每次观测时，都要随时移动三辰仪，以便使仪器对准正确的位置。但越
是匆忙移动，就越是难以精确的对准目标，天运环的发明大大降低了这方面
的误差。而且当望筒对准天体以后，只要把四游双环和三辰仪固结起来，就
可以使望筒始终对准这个天体。这就类似近代望远镜中的转仪钟一样的结
构。而转仪钟的想法于1670年才在欧洲提出来，1824年才建成第一台实用
装置。
中层南面是一间密室，里面放置着浑象。浑象设在一个扁的方木柜里，
浑象的天球有一半在柜外露着，柜面就相当于地平。浑象也有齿轮转动系统
和动力机构相连，由此也可以自动旋转，表现出浑象上各个天体在一昼夜的
时间内东升西落，作周日旋转的景象。
下层南面是报时的机构，一共有5层。从上面数第一层是用音响来报时
辰的机构。它是按照古代的时辰制度，每到一个时辰开始时，左边的门有个
木人在摇铃；每到时正时右门有木人扣钟；从半夜子正时起，每过1刻，中
门有木人敲鼓。
第二层只有正中的一个门，每到时初和时正时都分别有木人拿着时辰牌
在门口显示。
第三层也只有正中的一个门，每过1刻也有木人到门口执牌显示。
第四层是以声响报时的，每天日入、昏（日入后2刻半）、五更 （从昏
到待旦一共分为五更）、待旦（晓前10时，或者是日出前12刻半）、晓（日
出前2刻半）、日出这9个时刻都有木人在门口击钲。
第五层是字牌显示，每到上述的9个时刻之一，或者是每更中的1筹（每
更分为5筹）时都有木人抱牌到门口显示。
第四、五层的装置就是按照北宋皇宫中的更筹制度而设计的。
这5层报时装置的背后都有巧妙的机轮构造在控制。但是这些构造由于
都隐蔽在一层层木阁后面，外面的人看见的只是在像木塔一样的 5层木阁
里，木人在打击单响器或者是抱牌站立。
全仪的心脏部分在下层的北面。它由打水机构、铜壶滴漏、动力枢轮及
其控制机构等部分组成。铜壶滴漏是一个二级漏壶。水从第一级天池滴往平
水壶，再由平水壶滴入枢轮边缘的水斗里。水斗贮水到一定时就能冲破控制
机构的控制，使整个枢轮转动起来；但又由于控制机构的控制，使这个水斗
转过去以后，再来一个空水斗时又被制住而不再运动，这样，枢轮的运动就
变为间歇性的了。枢轮的边缘一共均匀分布了36个水斗。只要平水壶中流出
来的水速是均匀的，那么枢轮就会作均匀的间歇运动。
苏颂把这套控制机构称作是天衡。天衡是由左天锁、右天锁、天条、天
权、枢衡、枢权、天关等一系列部件构成的。枢轮边缘的水斗向外还附有铁
拨牙，有一个拨牙就托在枢衡另一头伸出来的格叉上面。左、右天锁使枢轮
锁住。格叉托着的水斗则会受水。水到一定重量时，格叉就会下沉，拉动天
条，因杠杆作用而使左天锁上升，枢轮就可以通过了。到下一个水斗又搁在
格叉上时，左天锁又会沉下去，挡住枢轮。天权是起调整作用的，免得使左
天锁升不起来，或者是沉不下去。这样的机构和锚状擒纵器的功用是一样的，
左、右天锁的形制也很像擒纵锚。
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苏颂等人造完了这件巨大的仪器以后，翰林学士许将又给朝廷上奏说，
元祐浑天仪象，实际上是仪和象这两件东西合在了一台仪器中，还不如造一
台仪器，兼有仪和象的功用。许将的这个奏书，被朝廷批准，并交给苏颂去
建造。
1089—1092年，苏颂造出了这件仪器。
1959年，王振铎作出了这件仪器的复原模型，在中国历史博物馆陈列。
1962年，王振铎发表了这件仪器的研究报告。他指出，这件仪器是中国
也是世界上最早的一具假天仪。
苏颂、韩公廉所造的假天仪是一具像人体那样大的天球仪。天球用竹条
做为骨架，外面糊纸。在纸面上按星星的位置凿了一个一个的孔。人由球南
端开的口中进入球内，就可以看到满天的星斗。在球的转动轴上还挂有座椅，
供观星的人乘坐；转动轴上还装有手轮，可以用来转动仪器作较快的旋转，
以使观星者立刻可以得到星星东升西落的印象。这台仪器是近代天象仪的祖