古代先賢們一直為研製記錄時間的裝置不懈努力著。
圭表、漏刻、日晷、香篆爐，
這幾個裝置，按觀察時間長短來看的話，
都屬於短時間計時，幾刻，幾個時辰；
那麼渾天儀和水運儀象臺就是更上一個級別的裝置了，
可以觀察數月，一年的時間。
中國天文學發展的歷史是悠久的，
到漢代已有蓋天、宣夜和渾天等學派。
蓋天說認為天如蓋，蓋心是北極，天蓋左旋，日月星辰右轉。
宣夜說認為天無定形，日月星辰“自然浮生虛空之中”，並不附著於“天體”之上。
渾天說認為天如蛋殼，地如蛋黃，天地乘氣而立，載水而行。
宣夜說後來不幸失傳了，蓋天、渾天兩說並行，競相爭鳴。
後來，比較科學的渾天說漸佔上風。
同時，觀測天象的儀器也不斷出現。
武帝時落下閎（hóng）製造了渾天儀，
宣帝時耿壽昌又造了渾天儀，
和帝時崔瑗的老師賈逵更製造了黃道銅儀。
唐代著名僧人一行和梁令瓚等設計製造水運渾象。
這個以水力推動而運轉的渾象，附有報時裝置，可以自動報時，
稱為"水運渾天"或"開元水運渾天俯視圖"
北宋時期的著名天文學家張思訓，
公元979年對渾天儀進行了重大的革新，
製造了世界上第一臺自動天象儀——太平渾儀，又稱水運渾象。
可惜，有關張思訓儀象的文字記載過於簡略，更無繪圖留下來供我們研究。
其實渾天儀是渾象和渾儀的總稱。
渾天儀仿製圖
復原圖
渾象
渾象的構造是一個大圓球上
刻畫或鑲嵌星宿、赤道、黃道、恆隱圈、恆顯圈等，類似天球儀。
渾儀是一觀測儀器，內有窺管，亦稱望管，
用以測定昏、旦和夜半中星以及天體的赤道座標，
也能測定天體的黃道經度和地平座標。
渾儀由早期四遊儀和赤道環組成。
漢代張衡繼承和發展了前人的成果。
任太史令後，他更加勤奮地“研核陰陽”，終於“妙盡璇璣之正”。
元初四年（公元117年），一件成就空前的銅鑄渾天儀，被張衡造了出來。
渾天儀主體是幾層均可運轉的圓圈，最外層周長一丈四尺六寸。
各層分別刻著內、外規，南、北極、黃、赤道，二十四節氣，二十八列宿，
還有“中”、“外”星辰和日、月、五緯等等天象。
儀上附著兩個漏壺，壺底有孔，滴水推動圓圈，圓圈按著刻度慢慢轉動。
於是乎各種天文現象便赫然展現在人們眼前。
這件儀器被安放在靈臺大殿的密室之中。
夜裡，室內人員把某時某刻出現的天象及時報告給靈臺上的觀天人員，
結果是儀器上、天上所現完全相符。
銅儀的兩側附有玉虯（龍）各一，吐水入壺，左為夜，右為晝。
壺上分別立著金銅仙人和胥徒，“皆以左手抱箭，右手指刻，以別天時早晚”。
更有妙者，臺階下還有內裝機關與兩壺相聯的瑞輪、莢，靠著滴水的推動，
依照月亮出入圓缺的變化，不停地旋轉開合，
表示著朔、望、弦、晦等日期，有如活動日曆一般。
可見這件渾天儀及其附器，與近世的假天儀有許多相似之處。
在此儀誕生的前一年，
張衡先用竹篾製成一個模型，名曰“小渾”，
進行了一系列的試驗和校正，然後才鑄作大儀。
渾天儀是張衡血汗的結晶。
他接著寫了《渾天儀圖注》和《漏水轉渾天儀注》兩本說明書。
從漢代到北宋，
渾儀增加了黃道環、地平環、子午環、六合儀、白道環、內赤道環、赤經環等。
北宋的沈括取消白道環、改變一些環的位置。
元代郭守敬取消了黃道環，並把原有的渾儀分為兩個獨立的儀器：簡儀和立運儀。
水運儀象臺
水運儀象臺示意圖
蘇頌《新儀象法要》草圖
水運儀象臺是北宋時期蘇頌、韓公廉等人發明製造的，
以漏刻水力驅動的，集天文觀測、天文演示和報時系統為一體的
大型自動化天文儀器。
它是中國古代天文儀器製造史上的高峰，被譽為是世界上的最早的天文鐘。
局部結構圖
根據《新儀象法要》記載，
水運儀象臺是一座底為正方形、下寬上窄略有收分的木結構建築，
高大約有十二米，底寬大約有七米，共分為三大層。
上層是一個露天的平臺，設有渾儀一座，用龍柱支持，
下面有水槽以定水平。渾儀上面有木板屋頂，
為了便於觀測，屋頂可以隨意開閉。
露臺到儀象臺的臺基有七米多高。
中層是一間沒有窗戶的“密室”，裡面放置渾象。
天球的一半隱沒在“地平”之下，另一半露在“地平”的上面，靠機輪帶動旋轉，
一晝夜轉動一圈，真實地再現了星辰的起落等天象的變化。
下層包括報時裝置和全臺的動力機構等。
設有向南打開的大門，門裡裝置有五層木閣，木閣後面是機械傳動系統。
報時裝置
第一層木閣又名“正衙鐘鼓樓”，負責全臺的標準報時。
木閣設有三個小門。
到了每個時辰的開始時，就有一個穿紅衣服的木人在左門裡搖鈴；
到了每個時辰的正中，有一個穿紫色衣服的木人在右門裡扣鍾；
每過一刻鐘，一個穿綠衣的木人在中門擊鼓。
這層木人動作由晝時鐘鼓輪控制。
第二層木閣負責報告時初、時正。
二層木閣
該層木閣正中有一個小門，
每逢各個時辰的開始時，一個穿紅衣的木人持時辰牌出現在小門前；
每逢各個時辰的正中，一個穿紫衣的木人拿著時辰牌出現在小門前。
此層共有紅衣木人和紫衣木人各12個，
時辰牌牌面上依次寫著子初、子正、醜初、醜正等。
這層木人的動作由晝夜時初正輪控制。
第三層木閣負責報告時刻。
報告時刻
該層木閣正中有一個小門，
每到一刻，一個穿綠衣的木人持刻數牌出現在小門前。
此層共有96個綠衣木人，刻數牌牌面上依次寫著初刻、二刻、三刻、四刻等。
這層木人的動作由報刻司辰輪控制。
正子時、正卯時、正午時、正酉時，時兼刻，紫衣小人出場。
因此只有96個綠衣小木人。
第四層木閣負責晚上的報時。
該層木閣中間有一個小門，木門內置一小木人，
逢日落、黃昏、各更、破曉、日出之時，木人擊鉦報時。
這層木人的動作由夜漏金鉦輪控制。
第五層木閣負責報告晚上的時間。
報告晚上時間
這層木閣中間有一個小門，
日出、日落、昏、曉、各更，一個穿紅衣的木人持牌出現在小門前；
各籌（點），一個穿綠衣的木人持牌出現在小門前。
這層木人的動作由夜漏司辰輪控制。
起更(16:48)、日落、昏、一至五更、日出、曉、收更(7:12)共11個紅衣小木人。
每更五籌，共30個綠衣小木人。
注：冬至夜六十刻、夏至四十刻，冬至-夏至，每九天增加一刻，即日出/日落小木人每九天，從起更向一更移動半刻；昏/曉為日出/日落下兩刻半，即昏曉間，冬至五十五刻、夏至三十五刻，昏/曉小木人隨日出/日落小木人每九天向下移動半刻。
五層木閣共有12個紫衣小木人、23個紅衣小木人、126個綠衣小木人、1個擊鉦小木人，累計162個小木人。
每層木閣內都有相應的機輪或輪輞，
上掛抱牌木人；或用撥牙撥動門口木人手臂敲打樂器。
這些機輪都裝在一根機輪軸上，
機輪軸有傳動機構和天柱相連，天柱是貫通全臺上中下三隔的傳動軸。
天柱下有個下輪，與樞輪軸伸出的地轂相結合。
當作為原動輪的樞輪轉動時就經過地轂傳動，使天柱旋轉起來，由此帶動全儀。
動力機構
在下隔的中央部分設有一個直徑達3米多的樞輪。
樞輪上有72條木輻，挾持著36個水斗和勾狀鐵撥子。
樞輪頂部和邊上附設一組槓桿裝置，
它們相當於鐘錶中的擒縱器。在樞輪東面裝有一組兩級漏壺。
壺水注入水斗，鬥滿時，樞輪即往下轉動。
但因擒縱器的控制，使它只能轉過一個鬥。
這樣就把變速運動變為等間歇運動，使整個儀器運轉均勻。
樞輪下有退水壺，在樞輪轉動中各斗的水又陸續回到退水壺裡。
另用一套打水裝置，由打水人搬轉水車，
把水打回到上面的一個受水槽中，
再由槽中流入下面的漏壺中去，
因此，水可以循環使用。
打水裝置和打水人則安置在下隔的北部。
整個機械輪系的運轉依靠水的恆定流量，
推動水輪做間歇運動，帶動儀器轉動。
水運儀象臺的構思廣泛吸收了以前各家儀器的優點，
尤其是吸取了張思訓所改進的自動報時裝置的長處；
在機械結構方面，採用了民間使用的
水車、筒車、桔槔、凸輪和天平秤桿等機械原理，
把觀測、演示和報時設備集中起來，
組成了一個整體，成為一部自動化的天文臺。
