摘要:水运仪象台是中国宋代集天文观测、天象演示、计时报时于一身的大型综合性装置，是中国古代科技成就的代表作，具有世界性影响。本文介绍的工作是对水运仪象台的工作原理，包括动力、传动、控制系统等的分析研究，并对之进行复原的试验，以解决一长期困扰水运仪象台研究的一系列问题。
关键词:水运仪象台，天文机械，复原
1研究的缘起:
1.1水运仪象台研究的意义及其影响:
水运仪象台是中国古代建造的一座大型天文仪器，是具有世界性影响的中国古代的伟大科技成就。该仪象台通高约10-12米，宽约7米，是一座上狭下宽的四方台形木结构建筑，分为上、中、下三层，上层平台上安放了浑仪，可以直接面对星空，用于天文观测:中层密室内放置了浑象，用作天象演示，并与浑仪的观测结果对照;下层为一套计时报时装置。整个设施实际上是一座古代的天文台，采用水力驱动，通过一组齿轮传动系统带动工作机工作。(图1、图3)按史料记载，水运仪象台是北宋时期由当时的吏部尚书苏颂奉命主持建造的。宋元枯二年‘公元1088年)，建成小木样:元枯三年闰十二月二日(公元1089年，1月16日)建成大木样;元枯七年六月十四日(公元1093年7月21日)水运仪象台正式完成。仪器制成后，苏颂撰写了《新仪象法要》一书，该书记录了水运仪象台各部位零件的名称、结构、尺寸等，并附有全图、机械装配图和星图，是目前我们能见到的最早的一部机械设计著作，为后人留下了极其珍贵的资料。(图2>公元1127年，金兵占据了宋朝的首都开封，水运仪象台毁于战火，从此不复存在。仅存世心丈34年。
作为中国古代的伟大科技成就，水运仪象台引起了国际性的广泛关注。特别是自二十世纪中叶开始，许多科技史研究者投入了大量的精力和热情对它进行了长达数十年的研究工乍，应该说，水运仪象台的研究是一个有着深远的意义和)’一泛的影响的课题。这是因为:
其一，宋元时期被学界公认为是中国古代科技水平达到项峰的时代，而水运仪象台就建成于这个时期，这座古代罕见的发明创造凝聚了中国古代科学技术达到巅峰时期的机械工艺、天文历算、冶金铸造、建筑工程等多学科、多方面的成果，尤其从机械结构的复杂性、精密性及其规模等各个方面看，都堪称这一时期的代表，集中反映了当时的科学技术水平，进而被公认为反映中国古代科学技术成就的代表作。因此，就其本身所具有的重大意义，水运仪象台具有国际性的影响。著名中国科技史家李约瑟在他的著作《中国科学技术史》中，花了大量篇幅专门介绍水运仪象台，认为这座古代的天文仪器创造了几个世界第一，包括:最早的擒纵装置，最古老的投影法零件图，最早的活动屋顶天文台等等，李约瑟认为，水运仪象台可以被看作是今天机械钟表的祖先。
其二，水运仪象台仅存世35年即毁于战火，不复存在。(新仪象法要》中虽有较为详细的记载，但毕竟不完全，遗留下来一些问题有待解决。因此，关于它的详细结构、工作性能和工作状况，为后人留下了一个大大的谜团.引起国内外从事科技史研究的专家学者的关注，对于水运仪象台的研究，也成为科技史研究领域内具有国际性影响的课题。其中的一些内容曾经成为研究领域的热点课题。
.2引发课题研究的直接动因:
“水运仪象台工作原理的研究和复原试验”课题是从!998年年底开始酝酿的，其直接
起因是来自于中国驻日本大使馆官员翟羽伸的一份报告。
1997年，位于日本长野县取访湖的精工博物馆内，建起了一座水运仪象台原大的复原模型，并对外开放供游人参观。应邀前来参观的翟羽伸先生有感于水运仪象台这座中国古代杰出的科技成就的结晶首先在日本被复原，便向国内有关方面提交了一份报告，希望引起重视，促成相关研究在国内开展。这位官员在给国内的信中说:面对这个在日本制造的复原件，心情是复杂的，一方面为我国古代的科技文明感到自豪，另一方面又为它在外国而不是它的祖国首先展示，感到遗憾。该报告转交到了当时的中国国家科学技术委员会和中国科学技术协会，当时任科委主任的宋健和科协书记张玉台等人批示希望加快研究步伐。这件事情在国内学术界引起了震动，我们感到利用我们国内的研究力量和研究条件，进行水运仪象台的课题研究和复原实验已经是很迫切的要求了。为此，国内机械史研究领域内的部分专家学者组织起来，在清华大学科技史暨古文献研究所召开了一次研讨会，并在会上成立了一个水运仪象台课题研究组，经过研究论证，研究组于1999年向国家自然科学基金委提出了申请并获得批准资助，课题名称为“水运仪象台工作原理的研究和复原试验”，参加者有清华大学、北京航空航天大学、西北农林科技大学和上海同济大学等单位的学者，课题自2000年初开始启动，为期三年。
2目前有关研究状况:
前面己经提到过，自二十世纪五十年代开始，国内外学者对水运仪象台的研究投入了极大的关注，英国剑桥大学教授、著名中国科技史研究家李约瑟(JOSEPH NEEDHAM)在1956年发表了((中国的天文钟》一文，对水运仪象台开始进行研究;几乎与此同时，清华大学教授、著名机械史学家刘仙洲也开始着手水运仪象台的研究工作，并将研究成果发表在1958年前后的一系列论文中:1958年，中国历史博物馆研究员王振铎按1: 5的缩小比例制作了第一个水运仪象台的复原模型:而美国人康布里奇也在六十年代复原了水运仪象台的缩小模型，放置在英国南辛肯顿郡博物馆。80年代末，借水运仪象台建成900周年庆祝之机，中国内地掀起了一个水运仪象台研究的小高潮，在苏颂的故乡福建同安召开了一个有相当规模的学术会议，有多篇论文及著作问世，出现了多个《新仪象法要》的注译本，推动了水运仪象台研究工作的开展。90年代后期，在台湾台中的自然科学博物馆产生了水运仪象台原大的复原模型，在日本又制作完成了另一个原大的复原模型。此后，在中国内地也出现了多个水运仪象台的缩小的复原模型，
尽管对水运仪象台的研究工作取得了很大的进展，但无论在理论研究还是复原制作方面，都存在一些有争议的问题，学术界一直并未形成一致的看法。在工作原理的理论研究方面，包括以下几点:I.整座水运仪象台零部件超过400个，构成8个大的功能组件，涉及超过百个部件配合，应该说，对于所有这些零部件及其配合，目前还没有做出系统完整的深入研究，画出的图样并不统一。2、对于水运仪象台中的核心机构擒纵系统的部件构成及其配合关系、工作原理，目前也没有形成公认的结论(对部件的理解不同:天锁、天条、鹤膝、伏兔等等).3、甚至对于根本的问题也存在争议，有人认为水运仪象台建成之后根本不能正常运转并进行工作，有人则认为水运仪象台是中国古代第一的发明，把水运仪象台归于钟表的祖先.认为这是中国古代的第五大发明，甚至其地位要超过四大发明:有人认为水运仪象台的大木样就是其后的建成物，有人则认为水运仪象台的正式落成与大木样有较大的不同。等等。争议问题很多，有待解决。在复原制作方面，所有现在己经完成的水运仪象台的复原模型，为了使其能够顺利运转，都在局部采用了现代的技术手段，例如:不锈钢传动轴、电机、滚珠轴承、渐开线齿轮等等，与宋代所能够达到的技术水平相去甚远，不能称为真正意义上的复原。
3本课题的研究计划和工作目标:
“水运仪象台工作原理的研究和复原试验”研究课题综合分析了以上这些研究中尚未解决的问题，拟从理论研究和复原试验两方面系统地逐个认真分析目前在这一研究领域内的疑难问题，争取在力所能及的范围内，对这些问题给予一定的研究和解释，力求得到一些令人信服的结论，使本课题能够为水运仪象台研究领域中的一个研究阶段划上句号。
我们计划将研究工作分为三个小组进行，古文献整理研究小组进行历史文献的整理研究，特别是对原始历史文献《新仪象法要》的文字校勘和解读，争取使研究工作建立在坚实可靠的历史文献基础上:理论分析研究小组利乒宇整理后的历史文献记载，从理论上对水运仪象台的动力、传动、控制系统和工作机的工作状况进行全面的研究和描述，力争在一些有争议的问题上得出令人信服的结论;模型实验小组则从理论分析研究小组的结论出发，制作计算机仿真实验模型和局部实物模型，对理论结果进行实验验证。
该三个研究小组的工作前后相继承，前一个小组的工作为后一个小组的_上作打下基础，后一个小组在此基础上对水运仪象台进行更加深入的研究，井验证前一个小组的上作。三个小组的工作环环相扣，成为一个整体，推动整个“水运仪象台工作原理的研究与复原试验”课题的进展。
4课题的工作进展和未来展望:
1998年5月，我们在清华大学成立了一个水运仪象台研究组，集中了国内一批对此课题感兴趣的专家学者，开始对上面提到的一些争议问题，开展了一定的研究，试图能够对其进行解释。获得自然科学基金支持后，该课题组成员有所扩大，拟定了工作计划并进行了分工，按照上面提到的研究计划开展了工作。
第一、对水运仪象台的古文献的考证。
首先，我们对苏颂当时及其后的宋代历史文献进行全面考察，希望能从中找到当时人对水运仪象台工作情况的可靠记录，为水运仪象台在当时的影响找到佐证。这项工作正在进行中，并己陆续发现一些记载.希望当这项工作结束时，会得到令人信服的证据。
其次，我们展开了对《新仪象法要》版本的考释。《新仪象法要》是水运仪象台的原始历史文献记录，是开展水运仪象台研究的基本文献依据，其意义不同寻常。但是，我们发现，除极个别的情况外，现在所有的水运仪象台研究者所参考的原始文献都是出自《新仪象法要》被收入《四库全书》的版本或被《四库全书》本派生出来的版本，即属于《四库全书》系列的版本。那么，我们就提出了这样的问题:现在还能否找到此版本系统以外的《新仪象法要》版本?这些版本与四库系列版本有什么不同，这些不同会不会对水运仪象台的研究和复原产生影响?究竟哪一个版本相比较更符合当时的建造实际?
非常幸运，我们找到了北京图书馆藏《新仪象法要》三卷本、《绍圣仪象法要》一卷本两种，台湾中央研究院傅斯年图书馆藏《新仪象法要》三卷本一种，南京图书馆藏《仪象法纂》一卷本一种，我们把这些不同版本与四库系列版本进行了比较和校勘。经校勘我们判定，上述版本均与《四库全书》系列版本有较大出入，应为《四库全书》本系列之外的本子。北图和台湾傅斯年图书馆的两个本子相同，均为影宋抄本，而《仪象法纂》与四库本的差别更大，达70多处。其中有多处差别涉及到水运仪象台部件的位置结构和尺寸，且不可能是抄写时的笔误，有的插图也有差异。这一发现对我们震动很大，不把这些原始文献的差别搞清楚，不能说对水运仪象台的工作是建立在坚实的基础上。通过文献的校勘整理，我们可以得到一部较为可信的原始文献资料，从此出发可以得到水运仪象台所有有历史记载的零部件数据。可以说，第一步的古文献考证与校勘工作，是整个课题研究工作的基础，目前，对几个不同版本的校勘工作己基本完成。
目前，该研究组己经编制了一个关于水运仪象台古文献资料的数据库，并且建立了本研究课题的专业网站，一方面可以为学术界提供相关的参考文献，另一方面也可以展示该项目的研究成果，向更广大的读者宣传水运仪象台的历史地位和研究的意义。第二、理论分析研究工作:
在第一步文献整理和解读工作的基础上，我们可以得到大部分数据，从而带动第二步的理论研究工作。理论研究希望能够澄清一些学术界对水运仪象台认识上的模糊问题。
从工作原理上讲，水运仪象台包括动力系统、控制系统、传动系统和工作机四个部分。其中学界争议较大且未能形成统一认识的是对控制系统的分析研究，李约瑟曾提出水运仪象台控制系统是现代擒纵器的祖先的观点，有很大的影响，但是，因为《新仪象法要》中对控制系统的记载不尽完善，目前对水运仪象台控制系统的整体结构和工作原理并未能形成一个为学界所接受的模式，并且遗留下来很多问题。诸如:控制系统的部件到底是怎样的?间歇性运动控制究竟是怎样实现的?等等。课题组为此召开了专门的研讨会，就天条、铁鹤膝、伏兔等等控制系统的部件名称与功能进行了讨论，并对系统的整理结构和工作模式进行深入探讨，目前此项研究正在进行之中。
另外，有一个重要的问题曾经被研究者和复原者有意无意地忽视了，就是水运仪象台存在两种传动系统的问题。据《新仪象法要》的记载，水运仪象台曾经存在过天柱和天梯两种传动系统，为什么要有这样两种传动系统?它们之间到底是怎样的关系?这一问题对于水运仪象台的工作状况的评估和复原制作有十分重要的意义，不可以回避。为此，课题组负责人指导一名研究生完成了一篇题为“水运仪象台两种传动系统的比较”的硕士论文，该论文从文献解读、当时的技术背景、现代力学与机械学理论计算等方面全面分析比较了两种传动系统的优劣，认为，从传动效率和性能上讲，天梯传动系统要优于天柱传动系统，很可能该系统是实物制作时对天柱系统的改造。应该说，该项研究涉及了水运仪象台研究中一个未被前人涉足的领域，对于更深入地分析水运仪象台的工作状态和传动效率，有很大的帮助。
第三、对水运仪象台进行仿真实验和模型试验:
在我们的计划中，将现代化的研究手段引入科技史研究工作，利用计算机仿真技术进行水运仪象台的运行仿真实验，以解决对水运仪象台工作性能、工作状况的争议，是一个重要的步骤。
在实验中，我们将利用古文献考释得出的零部件数据及其配合模式，建立数个水运仪象台的动态仿真模型。我们的工作将要结合现代力学原理，结合当时历史条件及机械制造工艺水平(我们正在进行对十一世纪水力机械发展状况的研究考证，并有论文完成)，对这些模型的运转情况进行比较分析研究。这样，我们希望可以具有说服力地摈弃不合理的零部件参数和配合模式，从中得到一套经过仿真实验验证的水运仪象台的参考数据。这项工作利用计算机仿真技术进行科技史研究，在科技史研究领域内是一项尝试，对于国内科技史研究方法和手段的丰富具有启示作用。
利用上述两项工作得到的数据，我们可以采用现代制图方法绘制一套完整的水运仪象台的各个零部件图和装配图。然后，对关键部件进行模型试验，探索水运仪象台真实工作状况，特别是传动系统和控制系统的工作状况。希望这项工作能够克服当前所有完成的水运仪象台的复原模型存在的不能真实复原的缺陷，为今后按照1: 1原大进行真正意义的复原提供科学的依据，打下坚实的基础。
目前，经过两个多月的努力，己经利用GREATER仿真软件编制了水运仪象台的动态仿真模型，并正在编制利用天梯传动系统的仿真模型，可以与天柱系统进行对照。
在仿真模型工作的基础上，我们下一步计划进行实物实验，包括对水力机械传动效率的实物测量和分析，以及对水运仪象台控制系统的模拟实验和分析等。
目前，课题组共在学术期刊和国际会议上发表论文7篇，完成硕士论文一篇，进行实地调研两次。
经过两年多的工作，该项课题已经取得了一定的进展，得到了一些令人鼓舞的结果。各个研究小组目前正在努力工作，希望在本课题结束时，各项工作都能取得实质性进展。占文献研究小组希望能够得到一份完整显示水运仪篆GG;各个部件和机构的名称、尺寸、形状的最可靠的历史记载表:并能够对宋代的相关历史文献进行基本搜检，建立一个目前学界最完备 的资源库。理论研究小组将继续对相关理论问题进行深入的研讨，争取就一些争议问题得出较为令人信服的结论，特别是对控制系统的部件、结构和工作原理，给出较为成功的描述。仿真实验和实物实验更大的意义将是对已有的研究成果进行检验，以使之建立在更可信的基础上。该项工作的完成，将为今后对水运仪象台进行真正意义上的复原打下坚实的基础。
|
