轨道电路是以钢轨作为导体,用于自动、连续检测线路是否被列车占用的电路,此外,由轨道电路发送的轨道信号还通过电磁感应方式为列车车载信号设备提供行车许可。轨道电路的作用主要包括:监督所属轨道区段的占用/出清状态;向列车传递行车信息;检查所属轨道区段的断轨故障。其中,高速铁路常用的ZPW-2000系列无绝缘轨道电路通过在轨道上加装补偿电容使轨道传输特性趋于阻性,并且采用电气绝缘节实现相邻轨道电路的电气隔离。轨道电路工作的好坏很大程度上依赖轨道电路信号在线路中的传输质量,而轨道电路性能的优劣直接影响着行车安全和运输效率。轨道电路传输模型是分析轨道电路传输性能的理论基础,研究轨道电路传输模型,对于掌握、了解、分析轨道电路传输特性、掌握轨道电路工作状态具有重要作用。例如,轨道电路的关键技术参数(如:极限传输距离和发送信号频率)互相影响,在确定参数值时必须统筹考虑,而轨道电路传输模型可以计算、分析特定条件下的轨道电路关键技术参数,这将为轨道电路设备的设计和改进提供理论支撑。除此之外,从运维的角度出发,轨道电路传输模型也有着重要意义,可以借助传输模型对环境以及故障对轨道电路工作性能的影响进行分析。轨道电路是我国铁路发展的重要基础安全设备,轨道电路故障不仅影响运输效率,严重时将带来毁灭性后果,因此,务必时刻掌握轨道电路的安全运行状态。目前,为了更好地监测信号设备的运行状态铁路电务部门已广泛应用了信号集中监测系统、电务检测车以及机车信号远程监测系统,这些监测系统能够实时釆集轨道电路的重要运行数据,这些数据可以为设备故障判断提供支撑。虽然现有的监测系统提供了判断轨道电路工作状态的方法,但遗憾的是,这些方法采用的是最基本的阈值法,并没有深入挖掘海量监测数据与轨道电路状态间的潜在关系。因此,在实际应用中仅能得知设备是否偏离正常状态而无法对故障进行准确定位。基于上述分析,有必要在此基础上研究先进的故障诊断算法,进一步提高现有监测系统的智能化水平。本论文以提高轨道电路理论分析水平和维护效率为目标,主要进行的工作包括:(1)研究了站内一体化轨道电路(Integrated Track Circuit,ITC)传输特性分析问题,基于均匀传输线理论建立ITC的传输模型,其中ITC的每个部分都使用等效二端口网络来表示。在传输模型的基础上,分析了室外环境(如:道床电阻、列车分路电阻)等因素对ITC工作性能的影响,并将其与区间轨道电路的传输特性进行了对比。(2)研究了ZPW-2000系列轨道电路暂态建模问题,采用时域有限差分(FiniteDifference,Time-Domain,FDTD)和ATP-EMTP对ZPW-2000系列轨道电路进行暂态建模,该方法包括端接、并联集中参数元件传输线的两种接口方案。将整个轨道电路分为传输线与集中参数网络两个部分,其中,传输线采用FDTD求解,集中参数网络在ATP-EMTP中计算,两个部分用受控电流源进行关联,最终采用这种方式建立了整个ZPW-2000系列轨道电路的暂态分析模型。(3)研究了基于地面监测数据的轨道电路智能诊断方法,该方法将神经网络与模糊逻辑相结合,实现对轨道电路故障模式的智能识别。其中,地面监测数据来源于现场测试和基于Simulink的电路仿真模型。在诊断模型构建过程中采用均匀设计方法和输入-输出相似性测试进行结构识别;再通过递归奇异值分解优化后件参数以减小输出误差。8种故障数据验证表明,该方法故障识别率高且耗时较短。(4)以车载监测数据为依据,研究了轨道电路电气绝缘节断线检测方法。首先,通过轨道电路传输模型求解了正常和电气绝缘节断线条件下轨道电路的机车信号幅值包络(Locomotive Signal Amplitude Envelope,LSAE),经过分析揭示了电气绝缘节断线对LSAE信号的影响机制。在多重分形去趋势波动分析(Multifractal Detrended Fluctuation analysis,MF-DFA)的基础上,得到了广义Hurst指数和LSAE信号的多重分形谱。然后将从多重分形谱中提取的六维矢量用作故障特征。最后,这些特征被输入极限学习机以实现断线故障的检测。(5)分析了补偿电容容值下降时轨道电路的传输特性,发现轨道电路LSAE曲线“整体特征”和“形态特征”随着补偿电容容值逐渐变化的现象。基于此,研究了用时间序列相似性度量估计补偿电容容值的方法,其中,用符号聚合近似(Symbolic Aggregate Approximation,SAX)描述LSAE曲线的整体特征,用动态时间弯曲(Dynamic Time Warping,DTW)描述LSAE曲线的形态特征。将本文方法应用到补偿电容容值的估算中,利用仿真的LSAE通过相似性度量构建容值估计器,实现了对补偿电容容值的估计。