城市是人类居住的主要场所，也是人类文明的结晶，是社会政治、经济和文化的载体和中心。从信息化到智能化再到智慧化，是建设智慧城市的必由之路，前景广阔。

一般认为，数字孪生是充分利用物理模型和物联网传感器采集的全生命周期的运行历史等数据，集成多学科、多物理量、多尺度、多概率的仿真过程，在虚拟空间完成映射，从而反映相对应的实体对象全生命周期过程。物理实体、虚拟模型、数据、连接和服务是数字孪生的核心要素。因此，数字孪生作为实现虚实之间双向映射、动态交互、实时连接的关键途径，为观察、认识、理解、控制和改造物理世界提供了一种新的有效手段。

基于数字孪生的智慧城市，就是通过构建物理城市世界、网络虚拟空间的一一对应、相互映射、协同交互的复杂系统，在网络空间再造一个与之匹配、对应的“孪生城市”，实现城市全要素数字化和虚拟化，城市全状态实时可视化，城市管理决策协同智能化，形成物理维度上的实体世界和信息维度上的虚拟世界同生共存、虚实交融的城市发展新格局。

建设基于数字孪生的智慧城市，要解决五大问题。一是在物理实体维度，实现城市多源异构物理实体的智能感知与互联互通，实时获取物理实体对象多维度数据，从而深入认识和发掘相关规律和现象；二是在虚拟模型维度，构建城市动态多维多时空尺度高保真模型，保证模型与物理实体的一致性、真实性、有效性和可靠性，实现多源多学科多维模型的组装与集成；三是在孪生数据维度，实现城市海量大数据和异常小数据的变频采集，实现全要素、全业务、全流程多源异构数据高效传输，以及信息物理数据的深度融合与综合处理，孪生数据与物理实体、虚拟模型、服务应用的精准映射与实时交互；四是在连接与交互维度，实现城市跨协议、跨接口、跨平台的实时交互，以及数据—模型—应用的迭代交互与动态演化；五是在服务与应用维度，基于多维模型和孪生数据，提供满足不同领域、不同层次用户、不同业务应用需求的服务。

通过解决上述科学问题，基于数字孪生的智慧城市将具备以下特征：精准映射，通过空中、地面、地下、河道等各层面的传感器布设，实现对城市道路、桥梁、井盖、建筑等基础设施的全面数字化建模，以及对城市运行状态的充分感知、动态监测；虚实交互，在城市实体空间可观察各类痕迹，在城市虚拟空间可搜索各类信息；软件定义，针对物理城市建立相对应的虚拟模型，以软件的方式模拟城市人、事、物在真实环境下的行为；智能反馈，通过在孪生城市上规划设计、模拟仿真等，将城市可能产生的不良影响、矛盾冲突、潜在危险进行智能预警，并提供合理可行的对策建议。

数字孪生城市应用前景广阔。智能电网数字孪生服务，利用电力系统物理模型、先进计量基础设施和电力系统历史数据，反映智能电网的全生命周期过程；城市智慧交通运营大脑，能优化交通突发事件处理流程，降低城市拥堵；基于室内外一体化的多元高精度定位技术，可实现疫情常态化下的精准防控，避免大规模防控造成的经济损失，相关技术还能应用于公共安全领域和大健康产业。

数字孪生城市也不是万能的。现实城市存在的基础设施、生态环境建设以及教育、养老、医疗等民生问题，不能仅依赖数字孪生技术解决。在建设智慧城市道路上，需要积极推进物理空间和网络空间共同建设，在新型城镇化建设中，要加强对物理空间的城市研究，做好城市规划、改造升级和科学管理，让我国智慧城市建设沿着真正实现数字孪生的智慧城市方向阔步前进。

（作者系中国科学院院士、中国工程院院士、武汉大学教授）